ТРУБА-ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G21F5/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в оболочечных конструкциях, имеющих защитные слои, в частности, в защитных контейнерах.

Известна стеклопластиковая оболочка, состоящая из наружной и внутренней обечаек и среднего слоя, выполненного из прессованных стрингеров, заполненных пеноматериалом и уложенных плотно друг к другу вдоль оси трубы-оболочки /1/. Известная оболочка мало эффективна при воздействии локальных ударных нагрузок. Из-за слабого сопротивления клеевых швов распадается стрингерная система среднего слоя, и оболочка разрушается.

Известна также труба-оболочка, состоящая из наружного и внутреннего слоев, контактирующих между собой концами, с изоляционным материалом между ними /2/. К ее недостаткам также следует отнести подключение к работе наружного слоя при воздействии радиальной нагрузки на внутренний слой, что искажает напряженно-деформированное состояние внутреннего слоя и приводит к его разрушению по нерасчетным схемам.

Наиболее близкой по технической сущности, аналогом, выбранным в качестве прототипа, является труба-оболочка из композиционных материалов, состоящая из наружного и внутреннего слоев и шпангоутов, скрепленных их торцевыми выступами внахлест /3/. Указанная труба-оболочка является эффективной при совместной работе всех слоев, однако при перераспределении нагрузок таким образом, чтобы все нагрузки воспринимал внутренний слой, например, внутреннее давление, без влияния жесткости наружного слоя, становится непригодной.

Основной задачей разработки является создание трубы-оболочки из композиционных материалов такой конструкции, которая бы воспринимала ее внутренним слоем внутреннее давление, а наружный слой внешние нагрузки без передачи на внутренний, без влияния его деформированного состояния на работоспособность внутреннего слоя.

Цель изобретения повышение эффективности, прочности и надежности конструкции.

Поставленная задача и указанная цель изобретения достигнуты за счет уменьшения кольцевой жесткости торцевых выступов шпангоутов наружного слоя, повышения их радиальной податливости с одного конца оболочки и раскрепления торцевых выступов шпангоутов с другого конца оболочки.

Для этого в трубе-оболочке из композиционных материалов, состоящей из наружного и внутреннего слоев и шпангоутов, скрепленных их торцевыми выступами внахлест, один охватывающий торцевой выступ шпангоутов наружного слоя со стороны первого конца оболочки выполнен с равномерно расположенными по его кольцевому периметру радиально-осевыми сквозными щелевыми прорезями с образованием сегментных секторов между ними, длиной, перекрывающей ширину контактирующей поверхности охватываемого торцевого выступа шпангоута внутреннего слоя, с закреплением на нем секторов радиальными стержневыми резьбовыми элементами, а торцевые выступы шпангоутов со стороны второго конца оболочки взаимно раскреплены установленными между ними прокладками скольжения с образованием компенсирующего кольцевого зазора между слоями оболочки.

Отличительными особенностями предложенной трубы-оболочки из композиционных материалов являются следующие признаки:
выполнение одного охватывающего торцевого выступа шпангоута наружного слоя со стороны первого конца оболочки с радиально-осевыми сквозными щелевыми прорезями с образованием сегментных секторов между ними, равномерно расположенными по его кольцевому периметру;
длиной, перекрывающей ширину контактирующей поверхности охватываемого торцевого выступа шпангоута внутреннего слоя;
закрепление секторов охватывающего торцевого выступа на охватываемом радиальными стержневыми резьбовыми элементами;
взаимное расположение торцевых выступов шпангоутов со стороны второго конца оболочки установленными между ними прокладками скольжения с образованием компенсирующего кольцевого зазора между слоями оболочки.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из их в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового эффекта в соответствии с указанной целью изобретения. Так, например, невыполнение прорезей на одном торцевом выступе шпангоута наружного слоя со стороны первого конца оболочки и не введение прокладок скольжения между торцевыми выступами шпангоутов со стороны второго конца оболочки приводит к известным решениям, возврату к поставленной задачи. Однако при выполнении указанных особенностей решается не только поставленная задача, но и достигаются новые эффекты, указанные в цели изобретения. В предложенном решении при действии внутреннего давления и деформировании с торцевым выступом шпангоута внутреннего слоя торцевой выступ с щелевыми разрезами в шпангоуте наружного слоя раскрывается без существенного влияния его жесткости на взаимную работоспособность. Раскрепление торцевых выступов шпангоутов с противоположного конца оболочки позволяет деформироваться и смещаться наружному и внутреннему слоям также без существенного влияния, что повышает эффективность работы трубы-оболочки.

Указанные существенные отличительные признаки являются новыми, так как их использование в известных технических решениях, аналогах и прототипе не обнаружено, что характеризует предложенное техническое решение соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными позволяет решить поставленную задачу и достичь новый положительный эффект в соответствии с поставленной целью, что характеризует новое техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом опытно-конструкторской работы, творческого вклада, получено без использования стандартных проектировочных решений и рекомендаций справочного характера и соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 дан общий вид трубы-оболочки из композиционного материала; на фиг.2 поперечное сечение по А-А; на фиг.3 поперечное сечение по В-В; на фиг. 4 поперечное сечение трубы-оболочки в продольном направлении в увеличенном масштабе.

Труба-оболочка из композиционных материалов состоит из внутреннего слоя 1, наружного слоя 2 и шпангоутов 3-6. Шпангоуты 3-6 имеют соответственно выполненные на них торцевые выступы 7-10. Охватывающий торцевой выступ 7 шпангоута 3 наружного слоя 2 со стороны первого конца оболочки выполнен с равномерно расположенными по его кольцевому периметру радиально-осевыми сквозными щелевыми прорезями 11 с образованием сегментных секторов 12 между ними, длиной, перекрывающей ширину контактирующей поверхности 13 охватываемого торцевого выступа 8 шпангоута 4 внутреннего слоя 1, с закреплением их на выступе 8 радиальными стержневыми резьбовыми элементами 14. Торцевые выступы 9 и 10 шпангоутов 5 и 6 со стороны второго конца оболочки взаимно раскреплены установленными между ними прокладками скольжения 15 с образованием компенсирующего кольцевого зазора 16 между слоями 1 и 2 оболочки.

Функционирование трубы-оболочки из композиционных материалов заключается в следующем.

Для получения трубы-оболочки наружный слой 2 надвигается на внутренний слой 1 таким образом, чтобы торцевой выступ 7 шпангоута 3 охватывал торцевой выступ 8 шпангоута 4, затем его сегментные сектора 12 закрепляют на торцевом выступе 8 посредством радиальных стержневых элементов 14, а между торцевыми выступами 9 и 10 шпангоутов 5 и 6 устанавливают прокладки скольжения 15. При нагружении внутреннего слоя 1 внутренним избыточным давлением слой 1 деформируется и воспринимает заданную величину нагрузки, при этом его деформации воспринимаются слоем 1 и его шпангоутами 4 и 6 без передачи нагрузки на наружный слой 2, шпангоуты 3 и 5, так как сегментные сектора 12 раскрываются в радиальном направлении без задерживающего усилия в кольцевом направлении. При действии нагрузки на наружный слой 2 его деформации не передаются на внутренний слой 1, т. к. слои 1 и 2 могут взаимно перемещаться в осевом направлении благодаря работе раскрепляющих прокладок скольжения 15, а также в пределах компенсирующего зазора 16 без какого-либо взаимного влияния.

Испытания фрагментов трубы-оболочки из композиционных материалов, изготовленных с использованием нового технического решения, показали положительные результаты.

Таким образом, новое техническое решение соответствует и критерию "промышленная применимость", на его создание и использование целесообразно оформление исключительных прав патентом.

Использование: изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в оболочечных конструкциях, имеющих защитные слои, в частности, в защитных контейнерах. Сущность: труба-оболочка из композиционных материалов состоит из внутреннего слоя, наружного слоя и шпангоутов с выполненными на них торцевыми выступами. Охватывающий торцевой выступ шпангоута наружного слоя со стороны первого конца оболочки выполнен с равномерно расположенными по его кольцевому периметру радиально осевыми сквозными щелевыми прорезями с образованием сегментных секторов между ними, и длиной, перекрывающей ширину контактирующей поверхности охватываемого торцевого выступа шпангоута внутреннего слоя, с закреплением их на выступе радиальными стержневыми резьбовыми элементами. Торцевые выступы шпангоутов со стороны второго конца оболочки взаимно раскреплены установленными между ними прокладками скольжения с образованием компенсирующего кольцевого зазора между слоями оболочки. 4 ил.

Труба-оболочка из композиционных материалов, состоящая из наружного и внутреннего слоев и шпангоутов, скрепленных их торцевыми выступами внахлест, отличающаяся тем, что один охватывающий торцевой выступ шпангоута наружного слоя со стороны первого конца оболочки выполнен с равномерно расположенными по его кольцевому периметру радиально-осевыми сквозными щелевыми прорезями с образованием сегментных секторов между ними длиной, перекрывающей ширину контактирующей поверхности охватываемого торцевого выступа шпангоута внутреннего слоя с закреплением на нем секторов радиальными стержневыми резьбовыми элементами, а торцевые выступы шпангоутов со стороны второго конца оболочки взаимно раскреплены установленными между ними прокладками скольжения с образованием компенсирующего кольцевого зазора между слоями оболочки.