НЕСУЩАЯ ТРУБА-ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, СПОСОБ И ОПРАВКА ДЛЯ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B29C53/56 B29C53/82 B32B3/12 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к оболочечным конструкциям корпусных деталей, применяемых в авиационной технике, работающим в условиях повышенных нагрузок, способам и устройствам для их изготовления.

Известна труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая обечайку и силовой каркас ячеистой структуры, образованный перекрещивающимися между собой спиральными и кольцевыми лентами (патент США N 3083864, кл. 220 83, 1963).

Известна также несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из перекрещивающихся однонаправленных нитей и внешнее защитное покрытие (патент США N 41373545, кл. 428 116, 1979).

Недостатками известных труб-оболочек являются их пониженная жесткость и прочность, обусловленные возможностью местной потери устойчивости, и повышенная концентрация напряжений в общих узлах перекрестий спиральных лент с кольцевыми продольными, в которых сосредотачивается трехкратное количество армирующего материала, приводящее к снижению монолитности граней ячеек.

Такие трубы-оболочки для обеспечения надежной работы в условиях сложно-напряженного состояния при одновременном нагружении на сжатие, изгиб и кручение требует дополнительного упрочнения и обладают повышенной массой.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами их пересечений и внешнее защитное покрытие (патент США N 4284679, кл. 428 218, 1978). Данная труба-оболочка выбрана в качестве прототипа, обладает аналогичными недостатками. Известен способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающий спиральноперекрестную и кольцевую намотку однонаправленных нитей, пропитанных связующим (патент США N 3083864, кл. 220 83, 1962).

Известен способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающий установку на оправку формообразующих элементов из резиноподобного материала и формирование между ними сетки взаимно пересекающихся пазов, укладку в них перекрещивающихся однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, намотку лент с натяжением поверх формообразующих элементов и нитей в пазах для образования внешнего защитного покрытия и термообработку его с последующим извлечением оправки и формообразующих элементов (патент США N 4137354, кл. 428 116, 1977).

Известные способы изготовления труб-оболочек ячеистой структуры не обеспечивают необходимое качество формирования труб-оболочек ячеистой структуры, в частности, монолитность граней ребер ячеек, что приводит к потере их устойчивости в готовой продукции.

Способ по патенту США N 4137354, несмотря на обеспечение более высокого качества, технологически сложен из-за множества вспомогательных операций, связанных с установкой и разборкой специальной оснастки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающий покрытие оправки резиноподобным материалом с сеткой взаимно пересекающихся пазов, укладку в пазы перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, нанесения на них формообразующих элементов и термообработку с последующим извлечением справки и резиноподобного покрытия (патент США N 4284679, кл. 428 218, 1978). Данный способ выбран в качестве прототипа. К недостатком способа следует отнести превышение строительной высоты узлов перекрестий нитей всех направлений над строительной высотой ребер вследствие неравномерной опрессовки их формообразующими элементами, что снижает качество готового изделия.

Известна оправка для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащая каркас с формообразующими элементами из резиноподобного материала с сеткой взаимно пересекающихся пазов между ними для укладки в них образующих ребра жесткости перекрещивающихся однонаправленных нитей, пропитанных связующим (патент США N 4137354, кл. 428 116, 1977). Недостатками известной оправки являются сложность ее сборки и разборки, трудоемкость и большие затраты, связанные с ее изготовлением.

Наиболее близкой по технической сущности является оправка по патенту США N 4284679, кл. 428 218, 1978, предназначенная для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащая сердечник и покрывающей его резиноподобный материал с взаимно пересекающимися пазами для укладки в них перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, обладающая аналогичными недостатками. Данная оправка выбрана в качестве прототипа.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является разработка такой несущей трубы-оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов, способа и оправки для ее изготовления, которые обеспечивали бы надежную работу конструкции в условиях сложнонапряженного состояния при действии одновременных нагрузок на сжатие, кручение и изгиб, труба-оболочка обладала бы наименьшей массой.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретений, их целью является повышение прочности и жесткости конструкции за счет создания замкнутых силовых узлов в виде треугольников в местах перекрестий ленты разных направлений, соответствующего рассосредоточения лент при их укладке и особой организации мест перекрестий пазов разных направлений на покрытии оправки с образованием трехгранных гнезд.

Поставленная задача и цель изобретений достигается тем, что в несущей трубе-оболочке в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащей силовой каркас ячеистой структуры из повторяющих по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами их перекрестий, и внешнее защитное покрытие, узлы перекрестий продольных и кольцевых лент с каждой спиральной лентой выполнены в виде замкнутых силовых треугольников с общей вершиной углов площадок перекрестий продольных лент с кольцевыми и, соответственно, продольных и кольцевых лент со спиральными, расположенной на кромке спиральных лент, при объемном соотношении спиральных, продольных и кольцевых лент от 1:0,3:0,3 до 1:3:3.

В способе изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающем покрытие оправки резиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами укладку в пазы перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, нанесение на них формообразующих элементов и термообработку с последующим извлечением сердечника и резиноподобного покрытия, укладку лент в пазы для образования ребер жесткости заканчивают с образованием припуска резиноподобного материала покрытия, выступающего над ребрами жесткости на величину 0,02 0,3 их высоты, который при нанесении на них формообразующих элементов поджимают ими с усилием, достаточным для его деформирования в радиальном направлении на величину припуска для замыкания и склейки с ребрами жесткости, причем в качестве формообразующих элементов используют кольцевые ленты наружного слоя, а перекрытия продольных и кольцевых лент формируют с примыканием к спиральным лентам.

В оправке для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащей сердечник и покрывающей его резиноподобный материал с сеткой взаимно пересекающихся пазов для укладки в них перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, резиноподобной материал на ее сердечнике выполнен из гибких плоских пластин с прямолинейными взаимо пересекающимися пазами на их наружной поверхности с образованием притупленных выступов и трехгранных гнезд в местах пересечений, изогнутых по радиусу кривизны поверхности сердечника и состыкованных по направлениям пазов, причем геометрические плоскости боковых граней притупленных выступов перекрещиваются в одной общей линии пересечения, внутри трехгранных гнезд.

Новыми отличительными признаками несущей трубы-оболочки являются:
выполнение узлов перекрестий продольных и кольцевых лент с каждой спиральной лентой в виде замкнутых силовых треугольников
с общей вершиной углов площадок перекрестий продольных лент с кольцевыми и, соответственно, продольных и кольцевых лент со спиральными,
расположенной на кромке спиральных лент,
при объемном соотношении спиральных, продольных и кольцевых лент от 1:0,3: 0,3 до 1:3:3.

Новыми и отличительными признаками способа изготовление труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов являются:
укладка лент в пазы для образования ребер жесткости с образованием припуска резиноподобного материала покрытия,
выступающего над ребрами жесткости на величину 0,02 0,3 их высоты,
поджатие упомянутого материала покрытия к ребрам жесткости формообразующими элементами,
с усилием, достаточным для его деформирования в радиальном направлении на величину припуска для замыкания и склейки с ребрами жесткости,
использование в качестве формообразующих элементов кольцевых лент наружного слоя,
формирование перекрестий продольных и кольцевых лент с примыканием к спиральным лентам.

Новыми отличительными признаками оправки для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов являются:
выполнение резиноподобного материала на сердечнике оправки из гибких плоских пластин,
с прямолинейными взаимно пересекающимися пазами на их наружной поверхности,
с образованием притупленных выступов и трехгранных гнезд в местах пересечений,
изогнутость вышеупомянутых пластин по радиусу кривизны поверхности сердечника,
состыковка упомянутых пластин по направлениям пазов,
перекрещивание геометрических плоскостей боковых граней притупленных выступов внутри трехгранных гнезд в общей линии пересечения.

Указанные отличительные особенности являются существенными признаками, поскольку каждый из них в отдельности и в совокупности с остальными направлен на достижение нового положительного эффекта в соответствии с поставленной задачей и целью изобретений, исключение какого-либо из них не позволяет решить поставленную задачу, например, невыполнение узлов перекрестий продольных и кольцевых лент со спиральными в виде замкнутых силовых треугольников в несущей трубе-оболочке, невыполнение соответствующих трехгранных гнезд в местах пересечения пазов в оправке для получения трубы-оболочки с указанными узлами перекрестий и отсутствие упругого поджима слоев наружной оболочки к ребрам для их надежного скрепления не позволяет решить поставленную задачу и достичь цель изобретения.

Использование новых существенных отличительных признаков в известных решениях, аналогах и прототипах, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенные технические решения соответствием критерию "новизна".

Единые совокупности общих известных и новых существенных признаков позволяют решить поставленную задачу и достичь новый положительный эффект, связанный с возможностью производства несущих труб-оболочек из композиционных материалов, способных работать в сложно-напряженном состоянии при одновременных нагрузках на сжатие, кручение и изгиб. Это позволяет характеризовать предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и прототипами, являются результатами творческого вклада и экспериментальных исследований без использования нормативной документации и стандартов, что свидетельствует и соответствии их критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретений поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид несущей трубы-оболочки в аксонометрии, на фиг. 2 ее продольный разрез с выноской 1 и сечением по А-А, на фиг. 3 вид в плане узла перекрестия кольцевой, продольной и спиральной лент с образованием замкнутого силового треугольника, на фиг. 4 представлен общий вид оправки, на фиг. 5 ее продольный разрез с выноской П1 и сечением по Б-Б, на фиг. 6 вид с верху и сбоку пластины из резиноподобного материала, на фиг. 7 вид в плане узла перекрестия пазов кольцевого, продольного и спирального направлений, на фиг. 8 аксонометрическое изображение трехгранного гнезда, образуемого пересечением спирального, продольного и кольцевого пазов, на фиг. 9 контур гнезда в виде трехгранной призмы.

Несущая труба-оболочка выполнена в виде тела вращения из композиционных материалов, содержит силовой каркас 1 ячеистой структуры и внешнее защитное покрытие 2 (фиг. 1, 2).

Силовой каркас 1 выполнен из повторяющихся по толщине его стенки систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент 3, 4 и 5 из однонаправленных нитей 6 (фиг. 3), образующих перекрестия 7 и 8 и ребра жесткости 9 между ними (фиг. 1, 2).

Узлы перекрестий 8 продольных и кольцевых лент 4 и 5 со спиральными 3 образуют замкнутые силовые треугольники ABC (фиг. 3) с общей вершиной O углов площадок перекрестий 10, 11 и 12 продольных лент 4 с кольцевыми лентами 5 и продольных, кольцевых лент 4 и 5 с каждой спиральной лентой 3.

Общая вершина O углов площадок перекрестий 10, 11 и 12 расположения на кромке 13 спиральных лент 3.

Объемное соотношение спиральных, продольных и кольцевых лент 3, 4 и 5 составляет от 1:0,3:0,3 до 1:3:3.

Оболочка ячеистой структуры изготавливается следующим образом. На оправку, содержащую сердечник 14 (фиг. 4, 5) и покрывающий его резиноподобный материал 15 с взаимно пересекающимися пазами 16, 17 и 18, соответственно, спирального продольного и кольцевого направлений, производят укладку в пазы 16, 17 и 18 перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент 3, 4, 5 из однонаправленных нитей 6, пропитанных связующим, формируют примыкание перекрестий продольных и кольцевых лент 4 и 5 к каждой спиральной ленте 3 и образуя ребра жесткости 9 каркаса 1 трубы-оболочки (фиг. 1, 2).

Укладку лент 3, 4 и 5 заканчивают с образованием припуска резиноподобного материала 15 над ребрами жесткости 9 с превышением на 0,02 0,3 их высоты. Далее производят сплошную намотку кольцевых лент 5 с целью упругого деформирования припуска резиноподобного материала 15 и образования внешнего защитного покрытия 2, скрепленного с ребрами 9 и узлами перекрестий 7 и 8 (фиг. 1).

Затем производят термообработку, удаляют сердечник 14 и резиноподобный материал 15 оправки. Для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры используется угле-, органо- или стеклопластики на основе их высокомодульных волокон.

Резиноподобный материал 15 на сердечнике 14 оправки выполнен из гибких плоских пластин 19 с прямолинейными взаимопересекающимися пазами 16,17 и 18 на их наружной поверхности 20 (фиг. 6).

Пластины 19 изогнуты по радиусу кривизны поверхности 21 сердечника 14 и состыкованы по направлениям пазов 16, 17 и 18.

Перекрещивающиеся пазы 17 и 18, соответственно, продольного и кольцевого направлений с пазом 16 спирального направления образуют трехгранные гнезда 22 в виде трехгранных призм ABC A, B, C, (фиг. 7, 8 и 9).

Геометрические плоскости боковых граней 23 24, 25 26, 27 28 притупленных выступов 29, 30 и 31 перекрещиваются внутри трехгранных гнезд 22 в общей линии пересечения (см. вид в плане фиг. 7) по центру O.

Труба-оболочка, изготовленная вышеописанным способом на предложенной оправке, обладает повышенной прочностью, жесткостью и надежностью, обладает наименьшим весом.

В трубе-оболочке на основе нового технического решения перекрестия кольцевых лент 5 с продольными 4 примыкают к спиральной ленте 3 (фиг. 3). Благодаря этому образуются замкнутые силовые узлы 8 (фиг. 1 и 2). Возникающие в них напряжения распределяются по большей площади по сравнению с известными решениями, т.к. перекрещивание лент 3,4 и 5 выполнено в виде замкнутого треугольного соединения. В местах таких перекрестий лент исключается сосредоточение избытка армирующего материала, обеспечивается монолитность граней ребер по контуру ячеек.

Объемные соотношения спиральных, продольных и кольцевых лент 1:0,3:0,3 соответствуют минимальному количеству материала в ячеистом слое. Количество продольных и кольцевых лент меньше, соответственно, чем их доля 0,3, значительно ухудшает технологические возможности процесса намотки, возрастает количество слоев и строительная высота стенки трубы-оболочки, что становится неприемлемым из-за требований обеспечения геометрических параметров конструкции.

Объемные соотношения спиральных, продольных и кольцевых лент 1:3:3 соответствуют максимальному количеству материала в ячеистом слое. Количество продольных и кольцевых лент больше, чем их доля 3 увеличивает сплошность элементарных слоев до такой степени, что стенка трубы-оболочки становится не ячеистой, а пористой, накапливающийся в порах избыток связующего, удалить который не представляется возможным, увеличивает пассивный вес, хотя и возрастает прочность, жесткость и надежность конструкции, т.е. ухудшается коэффициент весового совершенства трубы-оболочки.

Выбор материала спиральных, продольных и кольцевых лент в пределах объемных соотношений от 1:0,3:0,3 до 1:3:3 позволяет получать высокоэффективные трубы-оболочки с ячеистой структурой стенок на основе новых технических решений по конструкции узлов перекрестий, способу и оправке для их изготовления с высокими параметрами весового совершенства.

Натурный образец трубы-оболочки был изготовлен из углепластика на основе нити УКН/5000 (ГОСТ 28008-88), пропитанной связующим ЭХД-МК (ОСТ 3-4759-80). Параметры намотки приведены в таблице.

Результаты испытаний натурного образца показали эффективность и целесообразность промышленного производства труб-оболочек с использованием таких новых технических решений.

Использование: для изготовления оболочечных конструкций корпусных деталей, применяемых в авиационной технике, работавших в условиях повышенных нагрузок. Сущность изобретения: несущая труба-оболочка /Т-О/ из композиционных материалов содержит силовой каркас ячеистой структуры, образованный из повторяющихся по толщине стенки Т-О систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент /С, ПР, КЛ/, выполненных из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами перекрестий. Узлы перекрестий ПР и КЛ с каждой С лентой выполнены в виде замкнутых силовых треугольников с общей вершиной углов площадок перекрестий ПР лент С КЛ и соответственно ПР и КЛ СО С, расположенной на кромке С лентой. Объемное соотношение С, ПР и КЛ составляет от 1:0,3:0,3 до 1:3:3. В способе изготовления Т-О покрывают оправку /ОП/ резиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами. Накладывают в пазы пересекающиеся С, ПР и КЛ из однонаправленных нитей, предварительно пропитанных связующим для образования ребер жесткости между узлами перекрестий, наносят на ленты формообразующие элементы и термообрабатывают с последующим извлечением сердечника и резиноподобного материала. Для образования ребер жесткости заканчивают укладку лент в пазы с образованием припуска резиноподобного материала над ребрами жесткости на величину 0,02 - 0,3 их высоты. При нанесении формообразующих элементов упруго деформируют или в радиальном направлении припуски резиноподобного материала с образованием внешнего защитного покрытия, скрепленного с ребрами жесткости и узлами перекрытий. В качестве формообразующих элементов используют кольцевые ленты наружного слоя, а перекрытия ПР и КЛ формируют с примыканием к С лентам. Для осуществления способа предусмотрена О. В ней резиноподобный материал выполнен из гибких пластин с прямолинейными взаимно пересекающимися пазами на их наружной поверхности с образованием притупленных выступов и трехгранных гнезд в местах перекрестий, изогнутых по радиусу кривизны поверхности сердечника и состыкованных по направлениям пазов. Плоскости боковых граней притупленных выступов перекрещиваются внутри трехгранных гнезд по общей линии пересечения. 3 с.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Несущая труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры, образованный из повторяющихся по толщине стенки трубы систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент, выполненных из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами перекрестий, и внешнее защитное покрытие, отличающаяся тем, что узлы перекрестий продольных и кольцевых лент с каждой спиральной лентой выполнены в виде замкнутых силовых треугольников с общей вершиной углов площадок перекрестий продольных лент с кольцевыми и соответственно продольных и кольцевых лент со спиральными, расположенной на кромке спиральных лент, причем объемное соотношение спиральных, продольных и кольцевых лент составляет от 1 0,3 0,3 до 1 3 3. 2. Способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, при котором покрывают оправку резиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами, укладывают в пазы перекрещивающиеся спиральные, продольные и кольцевые ленты из однонаправленных нитей, предварительно пропитанных связующим для образования ребер жесткости между узлами перекрестий, наносят на ленты формообразующие элементы и термообрабатывают с последующим извлечением сердечника и резиноподобного материала, отличающийся тем, что для образования ребер жесткости заканчивают укладку лент в пазы с образованием припуска резиноподобного материала над ребрами жесткости на величину 0,02 0,3 их высоты, а при нанесении формообразующих элементов упруго деформируют ими в радиальном направлении припуски резиноподобного материала с образованием внешнего защитного покрытия, скрепленного с ребрами жесткости и узлами перекрестий, причем в качестве формообразующих элементов используют кольцевые ленты наружного слоя, а перекрестия продольных и кольцевых лент формируют с примыканием к спиральным лентам. 3. Оправка для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащая сердечник и покрывающий его резиноподобный материал с взаимно пересекающимися пазами для укладки в них перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, отличающаяся тем, что резиноподобный материал выполнен из гибких пластин с прямолинейными взаимно пересекающимися пазами на их наружной поверхности с образованием притупленных выступов и трехгранных гнезд в местах перекрестий, изогнутых по радиусу кривизны поверхности сердечника и состыкованных по направлениям пазов, причем плоскости боковых граней притупленных выступов перекрещиваются внутри трехгранных гнезд по общей линии пересечения.