НЕСУЩАЯ ТРУБА-ОБОЛОЧКА В ВИДЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, СПОСОБ И ОПРАВКА ДЛЯ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B29D23/00 B29C53/42 B29C53/56 B29C53/82 B32B3/12 B32B5/02 B32B7/02 B32B25/04 B32B27/06 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к оболочным конструкциям корпусных деталей, применяемых в летательных аппаратах, работающих в условиях повышенных нагрузок, способам и устройствам для их изготовления из композиционных материалов.

Известна труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая обечайку и силовой каркас ячеистой структуры, образованный перекрещивающимся 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 перекрывающихся однонаправленных нитей и внешнее защитное покрытие (патент США N 4137354, кл. 428-115,1979).

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 и продольными нитями, в которых сосредотачивается трехкратное количество армирующего материала, приводящее к снижению монолитности ячеек.

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.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами их перекрестий, и внешнее защитное покрытие (патент США N 4284679, кл. 428-218, 1981).

Данная труба-оболочка выбрана в качестве прототипа, обладает аналогичными недостатками.

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 с последующим извлечением оправки и формообразующих элементов (патент США N 41373543, кл. 428-116, 1979).

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

Способ по патенту США N 4137354, несмотря на возможность изготовления труб-оболочек новой структуры, 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 взаимно пересекающимися пазами, укладку в пазы перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, нанесение на них формообразующих элементов и термообработку с последующим извлечением оправки и резиноподобного покрытия (патент США N 4284679, кл. 428-218, 1981).

Данный способ выбран в качестве прототипа.

К недостаткам 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, 1979). 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, 1981, предназначенная 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 и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, обладающая аналогичными недостатками.

Данная оправка выбрана в качестве прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка такой несущей трубы-оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов, способа и оправки для ее изготовления, которые обеспечивали бы ее высокое качество, а труба-оболочка обладала бы наименьшей массой.

Техническим результатом, который может быть получен и достигнут при осуществлении изобретения, является повышение прочности и жесткости конструкции, обеспечение монолитности композиционного материала в ячеистой структуре при минимальной строительной высоте стенки несущей трубы-оболочки, повышение эффективности использования материалов.

Поставленная задача и указанная цель изобретений достигается за счет рассредоточения армирующих нитей по несущей поверхности трубы-оболочки, управления количеством материала, за счет учета влияния радиальной податливости резиноподобного покрытия, закрепления петель спиралей армирующего материала в ячейках спиралей большего шага.

Для этого в несущей трубе-оболочке в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащей силовой каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами их перекрестий, и внешнее защитное покрытие, ее силовой каркас снабжен разнодлинными слоями систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей, длинные слои систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей покрывают всю поверхность несущей трубы-оболочки так, что спиральные ленты коротких слоев расположены посередине между спиральными лентами длинных слоев и образуют с ними структуру на этом участке оболочки с более мелкими ячейками, петли спиральных лент коротких слоев размещены в ячейках длинных слоев систем перекрещивающихся спиральных лент и скреплены с ними кольцевыми лентами из однонаправленных нитей, причем строительная высота ребер из спиральных лент коротких слоев равна или меньшей строительной высоты ребер из спиральных лент длинных слоев.

В способе изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающем покрытие оправки резиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами, укладку в пазы перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, нанесение на них формообразующих элементов и термообработку с последующим извлечением оправки и резиноподобного покрытия, в качестве формообразующих элементов используют кольцевые ленты, укладываемые с натяжением, пропорциональным радикальной податливости резиноподобного покрытия, причем на участках оболочки с более частым расположением ребер жесткости задают повышенное натяжение кольцевой ленты.

В оправке для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащей сердечник и покрывающий его резиноподобный материал с взаимно пересекающимися пазами для укладки в них перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, на резиноподобном материале оправки выполнено несколько систем взаимно пересекающихся спиральных пазов разной длины, одна из них выполнена по всей поверхности резиноподобного материала, а остальное - на части ее поверхности так, что их спиральные пазы распложены посередине между спиральными пазами, выполненными по всей или части поверхности резиноподобного материала, и их концы в местах перехода от одного направления к другому находятся в четырехугольных выступах, образованных спиральными пазами, выполненными с большими интервалами между ними, причем глубина этих пазов выполнена равной или меньшей глубины спиральных пазов, расположенных с большим интервалом.

Отличительными особенностями несущей трубы-оболочки предложенной конструкции являются следующие признаки:
- снабжение ее силового каркаса разнодлинными слоями систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей;
- покрытие длинными слоями систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей всей поверхности несущей трубы-оболочки;
- покрытие короткими слоями систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей части поверхности несущей трубы-оболочки;
- расположение спиральных лент коротких слоев посередине между спиральными лентами длинных слоев.

- образование на участке расположения спиральных лент коротких слоев структуры с более мелкими ячейками;
- размещение петель спиральных лент коротких слоев в ячейках длинных слоев систем перекрещивающихся спиральных лент;
- закрепление петель спиральных лент коротких слоев на спиральных лентах длинных слоев кольцевыми лентами из одновременных нитей;
- выполнение строительной высоты ребер из спиральных лент коротких слоев равной или меньшей строительной высоты ребер из спиральных лент длинных слоев.

Отличительными особенностями способа изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов являются следующие признаки:
- использование в качестве формообразующих элементов кольцевых лент наружного покрытия;
- укладка формообразующих лент наружного покрытия с натяжением, пропорциональным радиальной податливости резиноподобного покрытия;
- причем натяжение на участках оболочки с более частым расположением ребер жесткости задают повышенным.

Отличительными особенностями оправки для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов являются следующие признаки:
- выполнение на резиноподобном материале оправки нескольких систем взаимно пересекающихся спиральных пазов равной длины;
- выполнение одной из систем взаимно пересекающихся спиральных пазов по всей поверхности резиноподобного материала;
- выполнение остальных систем взаимно пересекающихся спиральных пазов на части ее поверхности;
- расположение систем взаимно пересекающихся спиральных пазов на части поверхности посредине между спиральными пазами, выполненными по всей или части поверхности резиноподобного материала;
- размещение концов укороченных спиральных пазов в местах перехода от одного направления к другому в четырехугольных выступах, образованных спиральными пазами, выполненными с большими интервалами между ними,
- выполнение глубины укороченных спиральных пазов равной или меньшей глубины спиральных пазов, расположенных с большим интервалом.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и в совокупности с остальными признаками направлен на решение поставленной задачи и достижение нового положительного эффекта, исключение какого-либо из них не позволяет решить поставленную задачу. Например, невыполнение слоев спиральных лент разнодлинными не позволяет повысить эффективность сетчатой оболочки в отношении их массы. Неравномерное распределение лент коротких и длинных слоев приводит и устойчивости оболочки. Нереализация, например, указанных признаков приводит к получению конструкции трубы-оболочки с другими свойствами, не удовлетворяющим требованиям поставленной задачи и указанной цели изобретения. Соответственно, претерпевают изменение операций способа и изменение конструкции оправки, что неприемлемо.

Использование новых существенных признаков в известных уровне техники, аналогах и прототипах не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенные технические решения как соответствующие критерию "новизна".

Единые совокупности новых существенных с общими известными признаками позволяют решить поставленную задачу и достичь новый положительный эффект, связанный с возможностью получения новых видов труб-оболочек из композиционных материалов, способных эффективно работать в сложно-напряженном состоянии, обладать меньшей массой. Это позволяет их характеризовать существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники, аналогами и прототипами. Новые технические решения являются результатами опытно-экспериментальных исследований, получены без использования проектировочных решений или нормативных указаний известного характера, являются результатом творческого вклада и соответствуют критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид несущей трубы-оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов в изометрии; на фиг. 2 - продольное сечение трубы-оболочки; на фиг. 3 - схема расположения спиралей лент укороченных и длинных слоев в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - оправка для изготовления лет укороченных и длинных слоев в увеличенном масштабе; на фиг. 6 - особенности выполнения концов спиральных пазов под спиральные ленты укороченных слоев.

Несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов содержит силовой каркас 1 и внешнее защитное покрытие 2. Силовой каркас 1 представляет собой ячеистую структуру из повторяющихся по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 3 и 4 однонаправленных нитей 5, образующих ребра жесткости 6 и 7 между узлами их перекрестий 8, 9 и 10, 11. Силовой каркас 1 несущей трубы-оболочки снабжен разнодлинными ячеистыми слоями 12, 13 и 14 систем перекрещивающихся спиральных лент 3 из однонаправленных нитей 5. Длинные слои 12 систем перекрещивающихся спиральных лент 3 из однонаправленных нитей покрывают всю поверхность несущей трубы-оболочки, короткие слои 13 и 14 систем перекрывающихся спиральных лент 3 из однонаправленных нитей 5 покрывает частью поверхности несущей трубы-оболочки так, что спиральные ленты 3 коротких слоев 13 расположены посередине между спиральными лентами 3 длинных слоев 12 и образуют с ними структуру на этом участке оболочки с более мелкими ячейками 15, чем ячейки 16, а спиральные ленты 3 из однонаправленных нитей 5 слоев 14 размещены равномерно между спиральными лентами 3 слоя 12 и спиральными лентами 3 слоя 13 и образуют с ними еще более мелкие ячейки 17. Петли 18 коротких слоев 13 размещены в ячейках 16 длинных слоев 12, петли 19 коротких слоев 14 размещены в ячейках 15 коротких слоев 13. Петли 18 и 19 коротких слоев 13 и 14 закреплены между спиральными лентами в ячейках 16 и 15 кольцевыми лентами 4 из однонаправленных нитей 5. Строительная высота ребер жесткости 20 из спиральных лент 3 коротких слоев 13 равна или меньше строительной высоты ребер 6 из спиральных лент 3 длинных слоев 12.

Изготовление несущей трубы-оболочки из композиционных материалов осуществляется на оправке (фиг. 4), содержащей сердечник 21 и покрывающий его резиноподобный материал 22 с взаимно пересекающимися пазами 23 и 24 для укладки в них перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 3 и 4 однонаправленных нитей 5 для образования ребер жесткости 6 и 7 каркаса 1 трубы-оболочки. На резиноподобном материале 22 взаимно пересекающиеся спиральные пазы выполнены разной длины, соответственно для длинных и коротких слоев 12, 13 и 14. Спиральные пазы 23 выполнены по всей поверхности резиноподобного материала, спиральные пазы 25 и 26 - на части длины ее поверхности так, что спиральные пазы 25 расположены посередине между спиральными пазами 23, а спиральные пазы 26 - между пазами 25 и 23, концы спиральных пазов 25 в местах перехода 27 от одного направления к другому находится в четырехугольных выступах 28, образованных спиральными пазами 23, выполненными с большими интервалами. Глубина спиральных пазов 25 и 26 выполнена равной или меньшей глубины спиральных пазов 23 для создания равной или разной строительной высоты ребер жесткости 6.

Способ изготовления несущей трубы-оболочки из композиционных материалов заключается в следующем.

На заранее подготовленную оправку, состоящую из сердечника 21, покрытого резиноподобным материалом 22, имеющим съемные технологические штыри 29, установленные в четырехугольных выступах 28 для осуществления поворота спиральных лент 3 укороченных слоев 13 и 14, закрепленную на станке (условно не показано), наносят по программе спиральные ленты 3 и 4 из одинаковых нитей 5 так, чтобы они полностью заполняли пазы 23, 24, 25 и 26.

Когда на оправке не производилась укладка в указанные пазы однонаправленных нитей, пропитанных связующим, резиноподобное покрытие 22 обладало исходной определенной радиальной податливостью, после укладки в эти пазы однонаправленных нитей радиальная податливость покрытия 22 из-за введения добавочной жесткости изменялась, причем на участках с большими ячейками 16 радиальная жесткость больше исходной, но меньше, чем на участках с ячейками 15 и 16. В связи с этим эти участки обладают различной податливостью, при нанесении защитного покрытия 2 в виде кольцевых лент 30 из однонаправленных нитей 5 (при снятых штырях 29) их натяжение изменяют пропорционально измененной податливости резиноподобного покрытия 22 в сторону увеличения при бандажировании участков оправки с более мелкими ячейками, так как на этих участках податливость покрытия значительно уменьшена и для опрессовки большего количества ребер требуется большее опрессовочное усилие.

После нанесения покрытия заготовку термообрабатывают по режимам полимеризации связующего, охлаждают, извлекают сердечник 21, а затем и резиноподобное покрытие 22. Трубу-оболочку подвергают механической обработке по стыковочным торцам и направляют на сборку.

Опытные образцы несущих труб-оболочек, изготовленные с использованием новых технических решений по конструкции каркаса, способу и оправке для ее изготовления, прошли нагрузочные испытания, результаты испытаний положительные, дают новый эффект.

Таким образом, новые технические решения подтвердили высокую эффективность несущих труб-оболочек, их использование подтверждено воспроизводимостью в промышленных условиях производства, соответствует и критерию "промышленная применимость".

Использование: как оболочечная конструкция корпусных двигателей, применяемых в летательных аппаратах, работающих в условиях повышенных нагрузок, в способах и устройствах для их изготовления из композиционных материалов. Сущность изобретения: несущая труба-оболочка в виде тела вращения содержит силовой каркас ячеистой структуры и внешнее защитное покрытие. Силовой каркас снабжен разнодлинными слоями систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей. Длинные слои систем перекрещивающихся спиральных лент покрывают всю поверхность несущей трубы-оболочки. Короткие слои систем перекрещивающихся спиральных лент покрывают часть поверхности трубы-оболочки так, что ленты коротких слоев расположены посередине между лентами длинных слоев и образуют с ними структуру на этом участке оболочки с более мелкими ячейками. Петли спиральных лент коротких слоев размещены в ячейках длинных слоев и скреплены с ними кольцевыми лентами из однонаправленных нитей. Строительная высота ребер из спиральных лент коротких слоев равна или меньше строительной высоты ребер из спиральных лент длинных слоев. В способе изготовления труб-оболочек оправку покрывают резиноподобным материалом с взаимнопересекающимися пазами, укладывают в пазы спиральные и кольцевые ленты, образуют ребра жесткости, наносят на них формообразующие элементы и термообрабатывают с последующим извлечением оправки и резиноподобного покрытия. В качестве формообразующих элементов используют кольцевые ленты, укладывают с натяжением, пропорциональным радиальной податливости резиноподобного покрытия. На участках оболочки с более частым расположением ребер жесткости задают повышенное натяжение кольцевой ленты. Оправка для изготовления труб-оболочек содержит сердечник и покрывающий его резиноподобный материал с взаимно пересекающимися пазами для укладки в них спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки. На резиноподобном материале оправки выполнено несколько систем перекрещивающихся спиральных пазов разной длины, одна из них выполнена по всей поверхности резиноподобного материала, а остальные - на части ее поверхности. Их спиральные пазы расположены посередине между спиральными пазами, выполненными на всей или части поверхности резиноподобного материала, и их концы в местах перехода от одного направления к другому находятся в четырехугольных выступах, образованных спиральными пазами, выполненными с большими интервалами между ними. Глубина этих пазов выполнена равной или меньшей глубины спиральных пазов, расположенных с большим интервалом. 3 с.п. ф-лы. 6 ил.

1. Несущая труба-оболочка в виде тела вращения, в том числе конусная, из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами их перекрестий, и внешнее защитное покрытие, отличающаяся тем, что ее силовой каркас снабжен разнодлинными слоями систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей, длинные слои систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей покрывают всю поверхность несущей трубы-оболочки, короткие слои систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей покрывают часть поверхности несущей трубы-оболочки так, что спиральные ленты коротких слоев расположены посередине между спиральными лентами длинных слоев и образуют с ними структуру на этом участке оболочки с более мелкими ячейками, петли спиральных лент коротких слоев размещены в ячейках длинных слоев систем перекрывающихся спиральных лент и скреплены с ними кольцевыми лентами из однонаправленных нитей, причем строительная высота ребер из спиральных лент коротких слоев равна или меньше строительной высоты ребер из спиральных лент длинных слоев. 2. Способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающий покрытие оправки резиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами, укладку в пазы перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, нанесение на них формообразующих элементов и термообработку с последующим извлечением оправки и резиноподобного покрытия, отличающийся тем, что в качестве формообразующих элементов используют кольцевые ленты, укладываемые с натяжением, пропорциональным радиальной податливости резиноподобного покрытия, причем на участках оболочки с более частым расположением ребер жесткости задают повышенное натяжение кольцевой ленты. 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 и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, отличающаяся тем, что на резиноподобном материале оправки выполнено несколько систем взаимно пересекающихся спиральных пазов разной длины, одна из них выполнена по всей поверхности резиноподобного материала, а остальные - на части ее поверхности так, что их спиральные пазы расположены посередине между спиральными пазами, выполненными по всей или части поверхности резиноподобного материала, и их концы в местах перехода от одного направления к другому находятся в четырехугольных выступах, образованных спиральными пазами, выполненными с большими интервалами между ними, причем глубина этих пазов выполнена равной или меньшей глубины спиральных пазов, расположенных с большим интервалом.