НЕСУЩАЯ ТРУБА-ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК B64C13/26 B32B3/12 F16L9/12 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к оболочечным конструкциям корпусных деталей, применяемых в авиационной и ракетной технике, работающию в условиях сложного напряженного состояния.

Известна труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из перекрещивающихся между собой спиральных и кольцевых лент [1].

Известна другая несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из перекрещивающихся однонаправленных нитей и внешнюю силовую оболочку [2].

Однако известные трубы-оболочки имеют пониженную жесткость и прочность, обусловленные возможностью местной потери устойчивости, и имеют повышенную концентрацию напряжений в общих узлах перекрестий спиральных лент с кольцевыми и пониженную монолитность граней ячеек из-за неплотного сопряжения слоев.

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

Аналогичные недостатки проявляются также в трубах-оболочках, содержащих ячеистый каркас из перекрещивающихся спиральных армирующих нитей, размещенных между внешней и внутренней силовыми оболочками [3].

Для повышения межслоевой прочности в трубе-оболочке из композиционных материалов [4] , содержащей силовой каркас ячеистой структуры, образованный из повторяющихся по толщине стенки трубы слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, выполненных из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости и узлы перекрестий, и внешнюю силовую оболочку, между лентами вводят прослойки связующего, слои стенки выполняют сетчатыми, а для повышения устойчивости ребер [5] в ячейки между ними вводят вставки из пенопласта, имеющие окантовки из композиционного материала.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой, выбранная в качестве прототипа, является несущая труба-оболочка из композиционных материалов [4], которой присущи недостатки, выраженные в сосредоточении материала спиральных и кольцевых лент в одних и тех же узлах перекрестий, что увеличивает их строительную высоту и ослабляет связь между лентами в ребрах, ухудшает качество и надежность конструкции, снижает эффективность ее работы в условиях сложного напряженного состояния.

Основной задачей разработки является создание несущей трубы-оболочки из композиционных материалов такой конструкции, в которой были бы преодолены вышеуказанные недостатки, ее ребрам были бы приданы такие совершенные формы, обеспечивающие функционирование как без местной, так и без общей потери устойчивости при сжатии, между силовой оболочкой и силовым каркасом была бы обеспечена полная взаимосвязь.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации изобретения, является повышение жесткости и прочности несущей трубы-оболочки из композиционных материалов, ее надежности, придание конструктивного совершенства, обеспечивающего высокую технологичность ее получения, достижение минимального веса конструкции.

Поставленная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции силового каркаса ячеистой структуры и его связи с внешней силовой оболочкой.

Для этого, в несущей трубе-оболочке из композиционных материалов, содержащей силовой каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, образующих узлы перекрестий и ребра жесткости между ними, и внешнюю силовую оболочку, соответственно выполненные из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, силовой каркас снабжен конгруэнтными, охватывающими его ребра жесткости по их направлениям мелкоячеистыми слоями систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей или тканых лент или их комбинации, имеющих ширину, превышающую ширину лент в ребрах, и образующих их опорные полки, скрепленные с ними и внешней силовой оболочкой полимерным связующим, углы между спиральными ребрами, противолежащие кольцевым ребрам, выполнены равными 50 - 60^o, спиральные ребра между узлами их пересечения пересечены кольцевыми ребрами с равным шагом по их длине, узлы пресечения спиральных ребер могут быть выполнены с двухсторонним примыканием к их перекрестиям кольцевых ребер.

Отличительными особенностями несущей трубы-оболочки из композиционных материалов являются следующие:
снабжение силового каркаса мелкоячеистыми слоями систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, конгруэнтными с ним, охватывающими его ребра жесткости по их направлениям,
выполнение лент мелкоячеистых слоев из однонаправленных нитей или тканых лент или их комбинации,
выполнение мелкоячеистых слоев с шириной лент, превышающей ширину лент в ребрах каркаса, образующих опорные полки ребер каркаса,
скрепление мелкоячеистых слоев с силовым каркасом и внешней силовой оболочкой полимерным связующим,
выполнение углов между спиральными ребрами, противолежащих кольцевым ребрам, равными 50 - 60^o,
пересечение спиральных ребер между узлами их пересечения кольцевыми ребрами с равным шагом по их длине,
выполнение узлов пересечения спиральных ребер с двухсторонним примыканием к ним узлов пересечения кольцевых ребер со спиральными.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Выполнение несущей трубы-оболочки, содержащей силовой каркас ячеистой структуры, без конгруэнтного, более мелкоячеистого, чем ячейки каркаса, его охватывающего, слоя систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, скрепляющего каркас с внешней силовой оболочкой, не позволяет обеспечить дальнейшее совершенствование труб-оболочек таких структур в рассматриваемой области техники. В такой конструкции трубы-оболочки углы между спиральными ребрами могут варьироваться в зависимости от характера напряженно-деформированного состояния. При действии сжимающих нагрузок наиболее характерными углами между спиральными ребрами, противолежащими кольцевым ребрам, являются углы, равные 50 - 60^o. Кольцевые ребра пересекают спиральные ребра между узлами их пересечения, что позволяет уменьшить строительную высоту в местах пересечения спиральных ребер без кольцевых лент и уплотнить слои лент в самих спиральных и кольцевых ребрах, изготовление предложенной конструкции становится более технологичным с обеспечением высокого качества изготовления изделий. Причем эффективность труб-оболочек еще в большей степени повышается, если пересечение кольцевых ребер со спиральными между их узлами пересечений будет выполнено с равным шагом по их длине, что позволяет повысить устойчивость спиральных ребер при сжатии. Кроме того, узлы пересечений кольцевых ребер со спиральными могут быть выполнены с примыканием к узлам пересечения спиральных ребер, что позволяет повысить нагрузочную способность узлов пересечения спиральных ребер, снизить концентрацию напряжений в этих зонах и повысить их надежность как при сжатии ребер, так и при сдвиге слоев в ребрах. Вместе с этим силовой каркас ячеистой структуры по непрерывным спиральным и кольцевым ребрам за счет мелкоячеистых слоев с более широкими лентами, чем в ребрах каркаса, также непрерывными по длине, как и в ребрах, создают надежную опору ребер на внешнюю силовую оболочку и взаимодействие с ней при действии на трубу-оболочку сжимающих нагрузок, что очень важно для обеспечения ее устойчивости. Ленты слоев мелкоячеистой структуры могут быть расположены симметрично относительно спиральных и кольцевых ребер, могут быть выполнены со смещением, например при примыкании кольцевых ребер жесткости к узлам пересечений спиральных ребер, что позволяет варьировать геометрическими параметрами самой структуры силового каркаса и трубы-оболочки в целом для достижения минимального веса с максимально возможными повышенными жесткостными и прочностными параметрами.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известной области техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенную трубу-оболочку из композиционных материалов соответствующей критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, заключающийся в повышении жесткости, прочности и надежности конструкции, высокотехнологичной в производстве, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы и творческого вклада, направленного на дальнейшее совершенствование несущих труб-оболочек из композиционных материалов в данной области техники без использования каких-либо известных стандартных или проектных решений, рекомендаций, по своей оригинальности и содержательности соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена несущая труба-оболочка из композиционных материалов; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - типовая структура расположения спиральных и кольцевых ребер в силовом каркасе, вид в плане; на фиг. 4 - поперечное сечение спиральных ребер Б-Б на фиг. 3, на фиг. 5 - поперечное сечение кольцевых ребер В-В на фиг. 3; на фиг. 6, 7 - геометрические особенности расположения узлов пересечений кольцевых ребер со спиральными между узлами пересечений спиральных ребер с равным шагом по их длине; на фиг. 8 - особенности выполнения узлов пересечений спиральных ребер с двухсторонним примыканием к ним узлов пересечений кольцевых ребер со спиральными; на фиг. 9 - узел пересечения спиральных ребер с двухсторонним примыканием кольцевых ребер в увеличенном масштабе при симметричном расположении кольцевых ребер относительно полок (узел I на фиг. 8); на фиг. 10 - сечение Г-Г на фиг. 10; на фиг. 11 - узел пересечений спиральных ребер с двухсторонним примыканием кольцевых ребер в увеличенном масштабе при несимметричном расположении полок (узел II на фиг. 8); на фиг. 12 - сечение Д-Д на фиг. 11; на фиг. 13 - узел пересечения спиральных ребер с двухсторонним примыканием кольцевых ребер и нахлестом слоев в полках; на фиг. 14 - сечение Е-Е на фиг. 13.

Более подробное описание изобретения заключается в следующем.

Несущая труба-оболочка из композиционных материалов содержит силовой каркас 1 ячеистой структуры из повторяющихся по толщине его стенки слоев 2 систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 2, 3, 4, образующих соответственно узлы перекрестий 5 - 8 и 9 - 12 и спиральные и кольцевые ребра жесткости 13 - 16 и 17, 18 между ними, внешнюю силовую оболочку 19, соответственно выполненные из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим. Силовой каркас 1 снабжен конгруэнтными, охватывающими его ребра жесткости 13 - 16 и 17, 18 по их направлениям мелкоячеистыми слоями 20 систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент соответственно 21 и 22 из однонаправленных нитей или тканых лент, или комбинации из них, имеющих ширину, превышающую ширину лент 3, 4 в ребрах, и образующих их опорные полки 23, 24, скрепленные с ними и внешней силовой оболочкой 19 полимерным связующим. Углы между спиральными ребрами 13, 14 и 15, 16, противолежащие кольцевым ребрам 17, 18, равны 50 - 60^o. Спиральные ребра 13, 14 и 15, 16 между узлами их пересечения 5, 6 и 7, 8 пересечены кольцевыми ребрами 17, 18 с равным шагом по их длине (фиг. 7) с образованием узлов 9 - 12. Узлы пересечений 9 - 12 кольцевых ребер 17, 18 со спиральными 13 - 16 могут быть выполнены с двухсторонним примыканием к узлам пересечений 5, 7 спиральных ребер 13, 14 и 15, 16 (фиг. 8). Мелкоячеистые слои 20 систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 21, 22 по направлениям ребер 13 - 16 и 17, 18 могут быть выполнены заподлицо с наружной поверхностью каркаса 1 или выступать над ним за счет намотки встык или внахлест, придавая внешней силовой оболочке 19 сеть пересекающихся гофр 25, 26 и повышенную ее устойчивость (фиг. 10, 12, 14).

Порядок изготовления несущих труб-оболочек из композиционных материалов заключается в нанесении и закреплении на поверхности оправки гибких пластин (не показано), выполненных с сетью пересекающихся пазов под ленты из нитей для формообразования в них спиральных и кольцевых ребер жесткости, с разделительным слоем, в намотке по спиральным и кольцевым пазам пластин каркаса 1 ячеистой структуры соответствующих лент, пропитанных полимерным связующим, нанесении на спиральные и кольцевые ребра 13 - 16 и 17, 18 по их направлениям более широких лент 21, 22 для образования из них слоев 20, нанесении по ним кольцевых лент для образования внешней силовой оболочки 19 с последующей полимеризацией связующего, извлечением оправки, формообразующих гибких пластин и поручением несущей трубы-оболочки из композиционных материалов.

Ширина и высота ребер 13 - 16 и 17, 18, толщина слоев 20 и оболочки 19 определяются специальным расчетом. \\2 При нагружении несущей трубы-оболочки из композиционных материалов сжимающими нагрузками спиральные и кольцевые ребра 13 - 16 и 17, 18, мелкоячеистые слои 20 и внешняя силовая оболочка 19 работают совместно в пределах допустимого напряженно-деформированного состояния за счет эффективного подключения к работе несущего каркаса 1, внешней силовой оболочки 19 через усиливающие полки 23, 24 при обеспечении восприятия повышенных критических нагрузок без разрушения конструкции.

Опытные образцы несущих труб-оболочек из композиционных материалов, изготовленные с использованием нового технического решения, подвергались испытаниям для проверки их работоспособности, результаты испытаний положительные.

Таким образом, новое техническое решение при реализации в несущих трубах-оболочках из композиционных материалов, является воспроизводимым промышленным путем, дает новый технический результат, соответствует критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Использование: изобретение относится к машиностроению, а именно к оболочечным конструкциям корпусных деталей, применяемых в авиационной и ракетной технике, работающию в условиях сложного напряженного состояния. Сущность изобретения: несущая труба-оболочка из композиционных материалов содержит силовой каркас ячеистой структуры, снабженный конгруэнтно охватывающими его спиральные и кольцевые ребра жесткости мелкоячеистыми слоями систем перекрещивающихся широких лент, образующих опорные полки, скрепленные с ними и внешней силовой оболочкой полимерным связующим. Узлы пересечений кольцевых ребер со спиральными могут быть выполнены как с равномерным шагом по их длине, так и с двухсторонним примыканием к узлам пересечений спиральных ребер. 3 з. п. ф-лы, 14 ил.

1. Несущая труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, образующих узлы перекрестий и ребра жесткости между ними, и внешнюю силовую оболочку, соответственно выполненные из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, отличающаяся тем, что ее силовой каркас снабжен конгруэнтными, охватывающими его ребра жесткости по их направлению мелкоячеистыми слоями систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, или тканых лент, или их комбинации, имеющих ширину, превышающую ширину лент в ребрах, и образующих их опорные полки, скрепленные с ними и внешней силовой оболочкой полимерным связующим. 2. Труба-оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что углы между спиральными ребрами, противолежащие кольцевым ребрам, равны 50 60^o. 3. Труба-оболочка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что спиральные ребра между узлами их пересечения пересечены кольцевыми ребрами с равным шагом по их длине. 4. Труба-оболочка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что узлы пересечения спиральных ребер выполнены с двусторонним примыканием к их перекрестиям кольцевых ребер.