ТРУБА-ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в трубах-оболочках из композиционных материалов, применяемых в авиационно-космических изделиях, нефтехимической и газовой промышленности.

Известна труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, арочной реберно-ячеистой структурой, концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим (авт. св. СССР N 1099173, F 16 L 9/12, 1984).

Труба-оболочка из композиционных материалов подвержена сквозному пробитию летящих камней, не обеспечивает надежной защиты компонентов изделия, размещаемых в ней.

Известна труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая обечайку и арочную реберно-ячеистую структуру, образованные перекрещивающимися между собой спиральными кольцевыми витками лент из высокомодульных нитей (патент США N 3083864, кл. 220-83, 1963).

Известна также труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая реберно-ячеистую структуру из перекрещивающихся однонаправленных нитей и внешнее защитное покрытие (патент США N 4137354, кл. 428-116, 1979, патент США N 4284679, кл. 428-218, 1978).

Указанная труба-оболочка обладает аналогичными недостатками, которые могут быть преодолены только за счет увеличения веса, что недопустимо.

В качестве ближайшего аналога, выбранного в качестве прототипа, использована труба-оболочка из композиционных материалов по авт. св. СССР N 1099173, F 16 L 9/12, 1984 г.

Труба-оболочка по прототипу не предназначена поглощать энергию летящих камней, замена в ней одних материалов на другие, более прочные также не обеспечивает высокой надежности защиты.

Основной задачей разработки является создание трубы-оболочки из композиционных материалов такой конструкции, которая обладала бы наименьшим весом, позволяла бы гасить кинетическую энергию летящих камней в локальных зонах, исключала бы сквозное пробитие стенки трубы-оболочки.

Техническим результатом, который может быть получен от использования изобретения, является придание трубе-оболочке таких свойств, которые придали ей высокую сопротивляемость указанному воздействию без пробития стенки, обеспечивали ее высокую надежность и эффективность использования.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции трубы-оболочки из композиционных материалов, структуры стенки и образующих ее слоев, более эффективного использования свойств армирующих и полимерных материалов.

Для этого в трубе-оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, с арочной реберно-ячеистой структурой, концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, арочная реберно-ячеистая структура, образованная слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, выполнена на внутренней обечайке со стороны ее внутренней поверхности, а в слой пенопласта введена промежуточная обечайка слоистой структуры, коаксиально расположенная с наружной и внутренней обечайками, с наружными кольцевыми поясками из высокомодульных нитей, скрепленными с наружной обечайкой, причем наружные кольцевые пояски промежуточной обечайки расположены над ребрами арочной реберно-ячеистой структуры. Наружная, внутренняя и промежуточная обечайки выполнены из комбинации слоев систем перекрещивающихся высокомодульных нитей спирального и кольцевого направления. Скрепляющее нити отвержденное полимерное связующее выполнено на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МК. Промежуточный слой пенопласта выполнен удельной плотностью 0,08 - 0,1 г/см³.

Отличительными особенностями предложенной трубы-оболочки из композиционных материалов являются следующие признаки:
выполнение арочной реберно-ячеистой структуры, образованной слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, на внутренней обечайке со стороны ее внутренней поверхности;
введение в слой пенопласта промежуточной обечайки слоистой структуры, коаксиально расположенной с наружной и внутренней обечайками, с наружными кольцевыми поясками из высокомодульных нитей, скрепленными с наружной обечайкой;
расположение кольцевых поясков промежуточной обечайки над ребрами арочной реберно-ячеистой структуры;
выполнение наружной, внутренней и промежуточной обечаек из комбинации слоев систем перекрещивающихся высокомодульных нитей спирального и кольцевого направления;
выполнение скрепляющего нити отвержденного полимерного связующего на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МК;
выполнение промежуточного слоя пенопласта удельной плотностью 0,08-0,1 г/см³.

Отличительные особенности трубы-оболочки из композиционных материалов являются существенными признаками, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Промежуточная обечайка с наружными кольцевыми поясками и наружная обечайка, скрепленная с ними и слоем пенопласта, предназначены для преобразования кинетической энергии летящего камня в энергию диссипации в стенке трубы-оболочки, при этом указанные обечайки с поясками могут разрушаться, одновременно может разрушиться и проникающий камень. Остаточная энергия застревающего камня окончательно поглощается внутренней обечайкой с арочной реберно-ячеистой структурой, размещенной на ее внутренней поверхности. С учетом того, что прогиб промежуточной обечайки дополнительно амортизируется слоем пенопласта, размещенным между нею и внутренней обечайкой, происходит перераспределение энергии диссипации на более широкий участок внутренней обечайки с подкрепляющей арочной реберно-ячеистой структурой и ее эффективное гашение. Невыполнение трубы-оболочки с таким конструктивным построением ее структуры не позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат. Указанные существенные признаки являются новыми для трубы-оболочки из композиционных материалов, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение с учетом общих известных существенных признаков соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что позволяет характеризовать техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом опытно-конструкторской отработки, творческого вклада, получено без использования стандартных, проектных разработок или каких-либо рекомендаций, по своей оригинальности и содержательности исполнения соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид трубы-оболочки из композиционных материалов; на фиг. 2 - ее поперечное сечение; на фиг. 3 - аксиальное сечение трубы-оболочки в увеличенном масштабе.

Труба-оболочка из композиционных материалов содержит соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек 1, 2 с промежуточным слоем пенопласта 3, арочной реберно-ячеистой структурой 4, концевыми шпангоутами 5, образованными слоями 6, 7 систем перекрещивающихся высокомодульных нитей 8, скрепленных отвержденным полимерным связующим 9. Арочная реберно-ячеистая структура 4 выполнена на внутренней обечайке 2 со стороны ее внутренней поверхности 10. Промежуточная обечайка 11 слоистой структуры введена в слой пенопласта 3 с коаксиальным расположением с наружной и внутренней обечайками 1, 2, на ней выполнены наружные кольцевые пояски 12 из высокомодульных нитей 8, скрепленные с наружной обечайкой 1. Кольцевые пояски 12 промежуточной обечайки 11 расположены над ребрами 13 арочной реберно-ячеистой структуры 4. Промежуточный слой 3 выполнен из пенопласта удельной плотностью 0,08-0,1 г/см³. Наружная, внутренняя и промежуточная обечайки 1, 2 и 11 выполнены из комбинации слоев систем перекрещивающихся высокомодульных нитей 8 спирального и кольцевого направления.

В качестве скрепляющего нити 8 используется отвержденное полимерное связующее 9 на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МК. Материал наружной, внутренней и промежуточной обечаек 1, 2 и 11, кольцевых поясков 12, арочной реберно-ячеистой структуры 4 и кольцевых шпангоутов 5 представляет собой слоистый пластик, полученный методом намотки лент из высокомодульных нитей, пропитанных полимерным связующим, и термообработки с отверждением указанного связующего в камерных печах. Пенопластовый слой 3 из пенополиуретана может быть получен либо из готовых вспененных панелей, либо путем напыления до заданных толщин с последующим отверждением по заданному режиму полимеризации каркаса трубы-оболочки и механической обработки под заданную геометрию.

Использование трубы-оболочки из композиционных материалов заключается в следующем.

Трубу-оболочку закрепляют на опорном основании, размещают в ней компоненты готового изделия или его фрагменты и повергают испытаниям путем воздействия летящих камней. Механизм взаимодействия летящего камня с трубой-оболочкой состоит в соприкосновении его с ней и преодолении ее сопротивления. Если кинетическая энергия летящего камня мала и недостаточна для преодоления сопротивления наружной обечайки 1, то летящий камень отскакивает или рикошетирует. Если кинетическая энергия летящего камня повышенная, а жесткость и прочность наружной обечайки 1 недостаточная, то наружная обечайка 1 пробивается летящим камнем и разрушается в зоне сопротивления с ним. Преодолев наружную обечайку 1, на которую летящий камень затратил часть кинетической энергии, на пути его проникновения в стенку трубы-оболочки находятся кольцевые пояски 12, выполненные на промежуточной обечайке 11. Если оставшаяся часть кинетической энергии летящего камня после преодоления наружной обечайки 1 недостаточна для преодоления жесткости и прочности кольцевых поясков 12 и промежуточной обечайки 11, то камень застревает в трубе-оболочке без дальнейшего проникновения. Если оставшаяся часть кинетической энергии летящего камня после преодоления наружной обечайки 1 не может быть погашена и локализована сопротивляемостью кольцевых поясков 12 и промежуточной обечайки 11, то они разрушаются, происходит дальнейшее проникновение камня через стенку трубы-оболочки, на пути которого находится внутренняя оболочка 2 с арочной реберно-ячеистой структурой 4, жесткость и прочность которых подбирается таким образом, чтобы окончательно локализовать проникновение камня определенной массы. При этом локализация проникновения камня через всю стенку трубы-оболочки сопровождается непрерывной диссипацией его энергии и не только за счет разрушения отдельных слоев и элементов, но и за счет перераспределения нагрузки на соседние и смежные участки конструкции, а также постепенного разрушения самого камня от сопротивления стенки трубы-оболочки.

Труба-оболочка из композиционных материалов, изготовленная с использованием нового технического решения, подвергалась испытаниям на воздействие летящих камней и сопротивляемость на их проникновение с учетом обеспечения требований минимального веса. Наиболее эффективной оказалась труба-оболочка предложенного исполнения, не имеющая сквозного пробития стенки.

Таким образом, новое техническое решение соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения, на его создание и использование целесообразно обеспечение защиты исключительных прав патентом.

Труба-оболочка предназначена для использования в авиационно-космических изделиях. Арочная реберно-ячеистая структура трубы-оболочки выполнена на внутренней обечайке со стороны ее внутренней поверхности. В слой пенопласта введена промежуточная обечайка слоистой структуры, коаксиально расположенная с наружной и внутренней обечайками с наружными кольцевыми поясками из высокомодульных нитей, скрепленных с наружной обечайкой. Кольцевые пояски промежуточной обечайки расположены над ребрами арочной структуры. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, с арочной реберно-ячеистой структурной и концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, отличающаяся тем, что арочная реберно-ячеистая структура, образованная слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, выполнена на внутренней обечайке со стороны ее внутренней поверхности, а в слой пенопласта введена промежуточная обечайка слоистой структуры, коаксиально расположенная с наружной и внутренней обечайками, с наружными кольцевыми поясками из высокомодульных нитей, скрепленными с наружной обечайкой, причем кольцевые пояски промежуточной обечайки расположены над ребрами арочной реберно-ячеистой структуры. 2. Труба-оболочка по п.1, отличающаяся тем, что наружная, внутренняя и промежуточная обечайки выполнены из комбинации слоев систем перекрещивающихся высокомодульных нитей спирального и кольцевого направления. 3. Труба-оболочка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что скрепляющее нити отвержденное полимерное связующее выполнено на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МК. 4. Труба-оболочка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что промежуточный слой пенопласта выполнен удельной плотностью 0,08 - 0,1 г/см³.