УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ ДЛЯ СТЕНКИ ГИБКОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 1998 года по МПК B64B1/58 

Предпосылки к созданию изобретения.

Область техники.

Изобретение относится к области гибких конструкций и, в частности, к разработке узла крепления для таких конструкций. Этот узел крепления применим, в частности, на пневматических конструкциях, таких как летательные аппараты легче воздуха и надувные лодки.

Известный уровень техники.

На гибких конструкциях узлы крепления и т.п. обычно просто пришиты, во многом - подобно тому, как это делают с пуговицей на рубашке. Иногда с обеих сторон пришивают или прикрепляют усиления, чтобы придать дополнительную опору. Однако, узлы, пристроченные или прикрепленные таким образом, склонны "отрываться" от конструкции под воздействием больших растягивающих нагрузок, снова во многом подобно тому, как отрывается пуговица от рубашки. Например, в патенте США N 41252233, "Tethered Aerodynamic Ballon With Integral Fins" ("Привязываемый аэродинамический аэростат со встроенными килями"), авторы J. A. Winker, et al. (Дж. А. Уинкер и др.), раскрыт узел крепления в виде петли с концевыми частями, прикрепленными к наружной поверхности аэростата. Концевые части расположены крест-накрест и зафиксированы закрепленными на них усиливающими полосами. В патенте США N 3108765, "Ballon Having an External Ballonet" ("Аэростат, имеющий внешний баллонет"), автор V.H. Stone (В.Х. Стоун), раскрыта кое в чем аналогичная конструкция. Кроме того, узел крепления в патенте В.Х. Стоуна включает в себя узел распределения нагрузки на конце петли, причем стороны петли усилены и соединены вместе. Поскольку этот узел подвергается воздействию циклических растягивающих нагрузок, всегда существует тенденция к отслаиванию усилений. Поэтому важно распределять такие нагрузки в основную конструкцию. Кроме того, если гибкая конструкция находится под давлением, при пришивании на ней узла крепления возникает нежелательный канал утечки.

Интересен также патент США N 4267989 "Toy Hot Air Balloon" ("Игрушечный аэростат, наполняемый нагретым воздухом"), автор K.D.Skaggs (К.Д.Скаггс). К. Д.Скаггс предложен узел крепления, который включает в себя отверстие в стенке конструкции, перпендикулярное заданному направлению растягивающей нагрузки. Конструкция узла включает первый гибкий элемент, имеющий центральную часть, сложенную пополам с образованием петли, проходящей через прорезь. С петлей соединены концевые части, прикрепленные к внутренней поверхности стенки конструкции. Поверх этих концевых частей первого гибкого элемента прикреплены вторые гибкие элементы. Эта конструкция лучше распределяет растягивающую нагрузку, передаваемую от петли на гибкую конструкцию, за счет передачи нагрузки сдвига через связь между концевыми частями первых гибких элементов. Однако, отверстие в конструкции не герметизировано, поэтому узел нельзя использовать в пневматической конструкции. При использовании в игрушечном аэростате узел крепят к не находящемуся под давлением колпаку в его вершине. Однако, другие модифицировали конструкцию К.Д. Скаггса, расширив второй гибкий элемент с тем, чтобы он полностью закрывал первый элемент, так что узел крепления можно использовать на пневматических конструкциях. Все же эти конструкции узла крепления не обеспечивают оптимизацию распределения нагрузок в конструкции, исключая или снижая концентрации напряжений. Кроме того, если гибкой конструкцией является надувная лодка или газонаполняемая оболочка летательного аппарата легче воздуха, повреждение соединения не должно вызывать утечку в нем.

Таким образом, первоочередная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать узел крепления для гибкой конструкции.

Другая первоочередная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать узел крепления для гибкой конструкции, в которой нагрузки от напряжений распределены по конструкции, исключая тем самым локальные концентрации напряжений.

И еще одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать узел крепления для пневматической конструкции с гибкими стенками.

Краткое изложение существа изобретения.

Изобретение представляет собой узел крепления для использования на гибкой стенке конструкции для распределения растягивающей нагрузки в ней. Говоря подробнее, узел включает в себя прорезь в стенке конструкции. Чтобы уменьшить возможность воздействия нагрузок, вызываемых напряжениями при разрыве конструкции на концах прорези, на любом ее конце имеются понижающие концентрацию напряжений вырезы; предпочтительно, эти уменьшающие концентрацию напряжений вырезы имеют круговую форму. Конструкция включает в себя первый гибкий элемент, имеющий центральную часть, сложенную пополам с образованием петли, простирающейся от первой стороны стенки через прорезь и выходящей на вторую сторону. Первый гибкий элемент также включает в себя лопастеобразные наружные части на каждом конце центральной части, прикрепленные к внутренней поверхности стенки конструкции рядом с прорезью.

Первый гибкий элемент также включает в себя множество однонаправленных элементарных нитей в матричном материале, параллельных друг другу в центральной части и равномерно расходящихся или расширяющихся в каждой из наружных частей. Нитеобразный материал может быть любым высокопрочным нитеобразным материалом, таким как кевлар (KEVLAR^TM) или дакрон (DACRON^TM), которые поставляет фирма "Ай.И.Дюпон де Немюрс энд Компани" (I.E. du Pont de Nemours and Company), Уилмингтон, штата Делавэр, США. Можно также использовать нитеобразный материал вектран (VECTRAN^TM), который изготавливает фирма "Хехст-Селансес" (Hoechst-Celanses), Сомервилль, штат Нью-Джерси, США, а также можно использовать графит и стекловолокно. В качестве нитеобразного материала можно использовать и широкий диапазон смол, например, уретановую термопластичную смолу. В газонаполняемой оболочке летательного аппарата легче воздуха, выполненной из разных слоев вектрана (VECTRAN^TM) и кевлара (KEVLAR^TM) с использованием матричного материала на основе уретановой смолы, первый гибкий элемент можно выполнить из нитеобразного материала кевлар (KEVLAR^TM) с соответствующим матричным материалом на основе уретановой смолы. При таком сочетании первый гибкий элемент можно прикреплять, прикладывая тепло и давление к конструкции. И для этого случая имеется широкий диапазон промышленно выпускаемых нитеобразных и матричных материалов на основе смол.

Лопастеобразные наружные части гарантируют, что растягивающая нагрузка равномерно распределена по конструкции на широкой площади; таким образом, их размеры являются функцией нагрузки. Однако, наружные части не обязательно имеют одни и те же размеры. Например, если бы растягивающая нагрузка первоначально была приложена под острым углом к одной из наружных частей, то эта растягивающая нагрузка сначала распределялась бы на противоположную наружную часть, а первая упомянутая наружная часть была бы пропорционально больше. В пневматической конструкции важно, чтобы узел крепления разрушался без образования утечки в конструкции. Таким образом, узел должен быть сконструирован так, чтобы иметь петлю или центральную часть, которая разрушается до того, как разрушается связь между лопастеобразными наружными частями и гибкой конструкцией. Использование лопастеобразных наружных частей, которые лучше распределяют растягивающую нагрузку в гибкой конструкции, способствует удовлетворению этого требования. Лопастеобразные наружные части также лучше поглощают "внеосные" нагрузки.

Второй гибкий элемент, имеющий периферию, проходящую вокруг прорези и наружных частей первого гибкого элемента, прикреплен поверх них к соседней поверхности гибкой стенки конструкции. Этот второй гибкий элемент играет двойную роль. Во-первых, он предназначен для того, чтобы обеспечить дополнительную прочность узлу крепления путем усиления крепления первого гибкого элемента к стенке конструкции. Во-вторых, если конструкция находится под давлением, например, такая, как газонаполняемая оболочка летательного аппарата легче воздуха, второй гибкий элемент действует как уплотнение, предотвращающее утечку газа через прорезь. Материал, используемый в первом гибком элементе, должен быть совместим и скрепляемым с конструкцией и первым гибким элементом.

В некоторых приложениях может быть желательно иметь часть сторон петли, проходящую от точки, находящейся в непосредственной близости ко второй стороне стенки, в направлении свободного конца, соединенного с другим концом. Усиливающие элементы (ужесточенные или гибкие) можно располагать над соединенными частями сторон петли для придания дополнительной прочности. Кроме того, распределяющий нагрузку элемент можно устанавливать на конце петли, чтобы лучше распределять на ней растягивающую нагрузку. Например, это может быть металлическая ось, имеющая торцевые узлы крепления концов серьги, прикрепленной к тросу, такому, как швартов. Вместо этого можно установить полую ось для поддержания выдерживающего нагрузку пальца.

Новые отличительные признаки, которые можно считать характеристикой изобретения, как в смысле его компоновки, так и в смысле способа эксплуатации, а также другие задачи и преимущества изобретения станут более понятны из нижеследующего описания, приводимого в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых проиллюстрирован пример предпочтительного в настоящее время варианта воплощения изобретения. Однако, следует ясно представлять, что чертежи приведены только в целях иллюстрации и описания, а не в качестве определения объема притязаний.

Краткое описание чертежей.

Фиг.1 - перспективное изображение летательного аппарата легче воздуха.

Фиг. 2 - частичное перспективное изображение газонаполняемой оболочки летательного аппарата, иллюстрирующее узел крепления.

Фиг. 3 - разрез узла крепления, показанного на фиг.2, сделанный вдоль линии 3-3.

Фиг. 4 - вид спереди первого гибкого элемента перед образованием петли в центральной части, иллюстрирующий распределение в ней нитеобразного материала.

Фиг. 5 - частичное изображение узла крепления, показанного на фиг. 3, иллюстрирующее дополнительные усиления на сторонах петли и установку металлической крепежной трубки в петле.

Фиг. 6 - частичное изображение узла крепления, показанного на фиг. 2, иллюстрирующее центральную часть петли, выполненную без усилений или установки в ней узла крепления.

Описание предпочтительного варианта воплощения
На фиг. 1 показан летательный аппарат легче воздуха, обозначенный как единое целое позицией 10. Летательный аппарат 10 включает в себя газонаполняемую оболочку 12, имеющую гондолу 14, подвешенную снизу оболочки, и создающие тяговое усилие узлы 16, прикрепленные к гондоле. Летательный аппарат также включает в себя множество килей 17, установленных в его задней части и поддерживаемых расчалочными тросами 18. Летательный аппарат 10 показан пришвартованным на платформе 18, причем его носовая часть прикреплена к мачте 20, а по длине он прикреплен непосредственно к платформе швартовыми 22. Эти швартовы 22, а также расчалочные тросы 18 прикреплены непосредственно к газонаполняемой оболочке посредством являющихся предметом изобретения узлов крепления, обозначенных позицией 24. Важно отметить, что показанное в этом примере приложение предназначено только для иллюстрации, и узел крепления может быть использован на любой конструкции с гибкими стенками, однако наиболее полезен он на пневматических гибких конструкциях, таких, как проиллюстрированная выше газонаполняемая оболочка.

Обращаясь теперь к фиг. 2 и 3, можно заметить, что стенка 30 газонаполненной оболочки 12 имеет внутреннюю сторону 32 и наружную сторону 34 с прорезью 36, проходящей через оболочку. Прорезь 36 имеет круговые вырезы 38A и 38B на каждом ее конце, которые действуют как "стопоры" разрыва. При наличии такого выреза на конце прорези 36 дополнительно уменьшается склонность к разрыву под нагрузкой. Конечно, можно использовать и вырезы другой формы, если они окажутся эффективными при распределении нагрузок, вызванных напряжениями, в широкой области. Первый гибкий элемент 40, который действует как первичная точка крепления, включает в себя центральную часть 42 в виде петли, имеющей стороны 42A и 42B. Петля проходит через прорезь 36 с внутренней стороны 32 и простирается за контур наружной стороны 34. Первый гибкий элемент 40 также включает в себя лопастеобразные наружные части 44A и 44B на каждом его конце, которые прикреплены к внутренней стороне 32 стенки 30 рядом с прорезью 36.

На фиг. 4 показано изображение первого гибкого элемента 40 перед образованием петли из центральной части 42. Элемент 40 выполнен из прядей однонаправленного нитеобразного материала 48, заключенных в гибкий матричный материал 49 на основе смолы. Нитеобразный материал 48 плотно упакован в центральной части 42 (что обозначено позицией 48A) и равномерно расходится в лопастеобразных наружных частях 44A и 44B (что обозначено позицией 48). Нитеобразный материал можно выбирать из любых высокопрочных структурных волокон, таких, как кевлар (KEVLAR^TM), дакрон (DACRON^TM), вектран (VECTRAN^TM), графит, стекловолокно и т.д. Элемент 40 можно изготавливать большим количеством способов. Например, нитеобразный материал можно укладывать в форме, имеющей контур элемента, со множеством пальцев, отстоящие на одинаковые расстояния друг от друга вокруг периферийных концов лопастеобразных концевых частей. Нитеобразный материал можно укладывать в форме, придавая ему натяжение путем обвязки концов вокруг пальцев. Однонаправленный нитеобразный материал может быть соткан из жгутов, чтобы соблюсти расстояние между элементарными нитями. После этого в форму можно впрыскивать смолу. Подходящей смолой является термопластичный уретан. Это позволило бы осуществлять сцепление с внутренней стороной 32 стенки 30 путем приложения давления и тепла; тем не менее, любая выбранная смола должна быть сцепляемой со стенкой.

Возвращаясь к фиг. 2 и 3, отмечаем, что второй гибкий элемент 50 прикреплен поверх первого гибкого элемента 40 и простирается вокруг его периферии 52 и прорези 36 и прикреплен к внутренней стороне 32 стенки 30. Таким образом, второй гибкий элемент обеспечивает газонепроницаемое уплотнение вокруг прорези 36 и первого гибкого элемента 40, а также придает дополнительную прочность узлу крепления. Петля, образованная центральной частью 42, содержит распределяющий нагрузку элемент 54, установленный в ней. К концу швартова 22 прикреплена серьга 56 (см. также фиг.1). Кроме того, стороны 42A и 42B петли соединены вместе прострочкой 58, чтобы предотвратить независимое перемещение сторон и закрепить элемент 54 в надлежащем положении на конце петли.

Отметим, что в этом конкретном варианте узла крепления 24 растягивающая нагрузка, обозначенная позицией 57, всегда имеет доминирующее направление книзу. Таким образом, основная доля растягивающей нагрузки 57, сообщаемой первому гибкому элементу, будет поглощаться наружной частью 44B. Следовательно, она пропорционально больше, чем часть 44A стороны; действительные размеры, конечно, зависят от фактической растягивающей нагрузки. Лопастеобразная форма, при наличии равномерно распределенного в ней нитеобразного материала, обеспечивает распределение нагрузки на стенку 30 газонаполняемой оболочки 12 и может даже распределять "внеосные" нагрузки. Отметим также, что растягивающие нагрузки первоначально распределяются от первого гибкого элемента 40 на стенку 30 при сдвиге связи между ними. Тенденция к "разрыву" вдоль прорези 36 очень мала. Конечно, если растягивающая нагрузка имеет доминирующее направление перпендикулярно конструкции, наружные части 44A и 44B должны быть одинаковы по размерам. В таких пневматических конструкциях всегда важно сконструировать узел крепления так, чтобы при растяжении разрывалась петля, а не происходило разрывное повреждение вдоль связи между наружными частями и конструкцией, а следовательно - чтобы гарантировать, что при повреждении не образуется канал утечки.

На фиг. 5 показано введение усиливающих элементов 60 в простроченную петлю, чтобы придать дополнительную опору. Кроме того, отметим, что усиливающий элемент 62, установленный на конце петли, на одном конце сведен на конус. Эта форма способствует распределению растягивающей нагрузки. Кроме того, на фиг.6 показана центральная часть с несоединенной петлей и без усиливающего элемента в ней, чтобы показать, что не обязательно соединять стороны петли вместе, как не обязательно иметь и усиливающий элемент во многих приложениях.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретный вариант воплощения, должно быть ясно, что этот вариант является просто иллюстрацией, поскольку возможны многочисленные изменения и модификации, которые могут осуществить специалисты в данной области техники. Таким образом, изобретение следует рассматривать как ограниченное лишь объемом притязаний, определяемым прилагаемой формулой изобретения.

Промышленная применимость.

Изобретение может быть применено в авиационной промышленности, а также в любой промышленности, где изготавливают гибкие конструкции.

В узел входит первый гибкий элемент, имеющий центральную часть, сложенную пополам с образованием петли, простирающейся через прорезь от первой стороны стенки конструкции наружу от второй стороны, и наружные лопастеобразные части на каждом конце центральной части, прикрепленные к первой стороне стенки конструкции рядом с прорезью. Первый гибкий элемент также включает в себя множество однонаправленных усиливающих элементарных нитей в матричном материале, параллельных друг другу в центральной части и отходящих друг от друга в каждой из наружных частей. Второй гибкий элемент, имеющий периферию, проходящую вокруг прорези и наружных частей первого гибкого элемента, прикреплен к первому гибкому элементу и к первой стороне гибкой стенки конструкции. Изобретение решает задачу исключения локальных концентраций напряжений. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Узел крепления, предназначенный для использования на гибкой стенке конструкции, выдерживающей растягивающую нагрузку, который включает первый гибкий элемент, имеющий центральную часть, сложенную пополам с образованием петли, проходящей от первой стороны стенки через прорезь в стенке конструкции наружу от второй стороны, и крайние лопастеобразные части на каждом конце центральной части, прикрепленные к первой стороне стенки конструкции рядом с прорезью, и второй гибкий элемент, имеющий периферию, проходящую вокруг прорези и крайних частей первого гибкого элемента, при этом второй гибкий элемент прикреплен к крайним участкам первого гибкого элемента и к первой стороне гибкой стенки конструкции, проходящей вокруг периферии наружных частей первого гибкого элемента, отличающийся тем, что первый гибкий элемент выполнен из матричного материала, имеющего множество однонаправленных усиливающих элементарных нитей, параллельных друг другу в центральной части и отходящих друг от друга в каждой из наружных частей. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что что имеет понижающие концентрацию напряжений вырезы на каждом конце прорези, а второй гибкий элемент проходит за пределы и вокруг этих вырезов. 3. Узел по п.2, отличающийся тем, что понижающие концентрацию напряжений вырезы имеют круговую форму. 4. Узел по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что части петли, проходящие от точки, находящейся в непосредственной близости от второй стенки, в направлении свободного конца петли, соединены вместе. 5. Узел по п.4, отличающийся тем, что с соединенными частями сторон петли состыкованы усиливающие элементы. 6. Узел по п. 5, отличающийся тем, что усиливающие элементы выполнены гибкими. 7. Узел по п.6, отличающийся тем, что в центральной части петли установлен распределяющий нагрузку элемент.