ОПОРНЫЙ ШПАНГОУТ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится в целом к шпангоутным оболочечным конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано, в частности, при производстве корпусов или отсеков летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.

К шпангоутам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по жесткости, прочности и надежности, качестве изготовления, при этом оболочечные конструкции с их использованием должны обладать минимальной массой. Однако при решении вопросов снижения массы возникает опасность преждевременного разрушения изделий. Поэтому в шпангоутах используют различные комбинации структур композиционного материала на основе сочетания свойств армирующих нитей в спиральных и кольцевом направлениях. Особенно актуальной является задача создания жестких и прочных шпангоутов, в которых структура композиционного материала основана на комбинации однонаправленных армирующих нитей и полимерного связующего.

Известен опорный шпангоут из композиционных материалов, содержащий наружную и внутреннюю кольцевые полки с множеством крестообразно пересекающихся наклонных распорных элементов между ними, зафиксированных в них концами, выполненных за одно целое из однонанаправленных армирующих нитей и полимерного связующего (Авторское свидетельство СССР N 1620761, F 16 L 9/12, 1991).

Известны и другие конструкции опорных шпангоутов из композиционных материалов более раннего приоритета, в которых слои спиральной намотки выполнены в виде сплющенных рукавов, а слои кольцевых армирующих нитей включают кромочные участки (авторское свидетельство СССР N 1318760, F 16 L 9/12, 1987), или слои сплющенных корытообразных рукавов в средней части шпангоута скреплены между собой с образованием отсеков и дополнительных подкрепляющих полых элементов (Авторское свидетельство СССР N 1379555, F 16 L 9/12, 1988), или слоев ветвей сплющенных рукавов на опорном шпангоуте с образованием кольцевого ребра в месте перехода к шпангоуту и дополнительного коробчатого профиля (Авторское свидетельство СССР N 1392297, F 16 L 9/12, 1988).

Указанные опорные шпангоуты из композиционных материалов предназначены для использования в оболочечных конструкциях, способных воспринимать равномерно распределенные нагрузки. Для восприятия локальных нагрузок, в частности от контактного воздействия, распределенных по закону косинуса, или сосредоточенных, такие шпангоуты малоэффективны, для них требуются усиления, приводящие к увеличению массы, что неприемлемо.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является опорный шпангоут по авторскому свидетельству СССР N 1620761.

Основной задачей изобретения является создание опорного шпангоута из композиционных материалов с использованием высоких прочностных свойств однонаправленных армирующих нитей по направлениям действия нагрузок и распределения внутренних усилий.

Техническим результатом от использования изобретения является получение опорного шпангоута из композиционных материалов минимальной массы, обладающего высокой прочностью, жесткостью и надежностью, наименьшими затратами на его изготовление.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции и структуры армирования опорного шпангоута, введения новых элементов и эффективного использования свойств армирующих нитей.

Для этого в опорном шпангоуте из композиционных материалов, содержащем наружную и внутреннюю кольцевые полки с множеством крестообразно пересекающихся наклонных распорных элементов между ними, зафиксированных в них концами, выполненных за одно целое из однонаправленных армирующих нитей и полимерного связующего, между полками шпангоута введены радиальные распорные элементы, пересекающиеся с наклонными распорными элементами, зафиксированные концами в полках, причем наклонные и радиальные распорные элементы выполнены в виде пластин с расположением их армирующих нитей с радиальных параллельных плоскостях на основе высокомодульных, например угольных или борных волокон. Армирующие нити пересекающихся наклонных и радиальных распорных элементов выполнены в объемном соотношении от 1:2,5 до 1:0,25. Армирующие нити пересекающихся наклонных и радиальных распорных элементов и скрепляющее их полимерное связующее выполнены в объемном соотношении от 1:0,5 до 1:1,2.

В качестве полимерного связующего для скрепления нитей пластин и полок использовано связующее на основе композиции с эпоксидной смолой. Наклонные и радиальные распорные элементы могут быть облицованы слоями ткани или перекрещивающимися нитями из стекло- или базальтоволокон. Распорные элементы по торцевым поверхностям могут быть армированы скрепленными с ними слоями тканой армировки из стекловолокон или тонким слоем алюминия, например алюминиевой фольги. Наклонные распорные элементы направлены гранями по касательным соответственно к внутренней и наружной поверхностям внутренней кольцевой полки. Кольцевые полки могут быть выполнены с симметричным или ассиметричным или односторонним расположением по отношению к распорным элементам между ними, например в виде тавра, двутавра, швеллеро- или зет образного профиля.

Отличительными особенностями опорного шпангоута из композиционных материалов являются следующие признаки:
- введение между полками шпангоута радиальных распорных элементов,
- фиксирование радиальных распорных элементов концами в полках,
- выполнение наклонных и радиальных распорных элементов в виде пластин,
- расположение армирующих нитей в наклонных и радиальных распорных элементах в радиальных параллельных плоскостях,
- выполнение армирующих нитей распорных элементов на основе высокомодульных, например угольных или борных волокон,
- выполнение армирующих нитей пересекающихся наклонных и радиальных распорных элементов в объемном соотношении от 1:2,5 до 1:0,25,
- выполнение армирующих нитей пересекающихся наклонных и радиальных распорных элементов и скрепляющего их полимерного связующего в объемном соотношении от 1:0,5 до 1:1,2,
- использование в качестве полимерного связующего для скрепления нитей пластин и полок композиции на основе эпоксидной смолы,
- облицовка наклонных и радиальных распорных элементов слоями ткани или перекрещивающимися нитями из стекловолокон или базальтоволокон,
- армирование распорных элементов по их торцевым поверхностям слоями тканой армировки из стекловолокон или тонким слоем алюминия, например алюминиевой фольги,
- направление наклонных распорных элементов гранями по касательным соответственно к внутренней и наружной поверхностям внутренней кольцевой полки,
- выполнение полок шпангоута с симметричным или ассимметричным расположением по отношению к распорным элементам между ними, например в виде тавра, двутавра, швеллеро- или зетобразного профиля.

Указанные отличительные признаки опорного шпангоута из композиционных материалов являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. В предложенном опорном шпангоуте из композиционных материалов введены радиальные распорные элементы, пересекающиеся с наклонными распорными элементами. Наклонные и радиальные распорные элементы выполнены в виде пластин, которым с учетом формообразования приданы наиболее эффективные геометрические особенности, обеспечивающие максимальную реализацию прочности свойств армирующих нитей, фиксирование концов радиальных распорных элементов в полках, их пересечение с наклонными распорными элементами позволяет включить в работу большее количество распорных элементов при воздействии нагрузок и обеспечить их устойчивое положение совместным сопротивлением. Наиболее эффективное соотношение армирующих нитей наклонных и радиальных распорных элементов достигается в пределах их объемных пропорций от 1:2,5 до 1: 0,25 при объемном соотношении армирующих нитей с полимерным связующим на основе эпоксидной смолы от 1:0,5 до 1:1,2, обеспечивающими высокий предел прочности на сжатие армирующих волокон.

Облицовка наклонных и радиальных распорных элементов слоями ткани или перекрещивающимися нитями из стекло- или базальтоволокон упрочняет элементы от растрескивания при воздействии сжимающих нагрузок и тем самым обеспечивает из повышенную устойчивость. Армирование наклонных и радиальных распорных элементов по торцевым поверхностям шпангоута обеспечивает замкнутость его профиля, способного воспринимать повышенные нагрузки. Касательное расположение граней пластин наклонных распорных элементов по отношению к поверхностям внутренней кольцевой полки позволяет обеспечить повышенную надежность закрепления их концов при такой конструкции шпангоута. Выполнение шпангоута в поперечном сечении в виде тавра, двутавра, швеллеро- или зетобразного профиля расширяет номенклатуру изделий.

В предложенном исполнении опорной шпангоут может быть пристыкован к оболочечной конструкции или установлен на ее внутренней поверхности, используемые в нем существенные признаки повышают его жесткость, прочность и надежность, сопротивляемость при нагружении за счет модифицированной структуры армирования.

Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать опорный шпангоут из композиционных материалов в предложенной совокупности существенных признаков соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными признаками опорного шпангоута из композиционных материалов позволяет решить поставленную задачу по его созданию в новом исполнении, эффективно воспринимающим без разрушения заданный спектр нагрузок, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом опытно-конструкторской и экспериментальной работ и творческого вклада, получено без использования каких-либо стандартов или рекомендаций в данной области техники, является оригинальным решением, неочевидным для специалистов, в совокупности новых и известных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид опорного шпангоута из композиционных материалов, на фиг. 2 - фрагмент шпангоута с показом его наружной и внутренней кольцевых полок, крестообразно пересекающихся наклонных и радиальных распорных элементов, на фиг. 3 - поперечное сечение наклонного распорного элемента, на фиг. 4 - поперечное сечение радиального распорного элемента, на фиг. 5 - схема фиксирования армирующих нитей наклонных и радиальных распорных элементов в наружной и внутренней кольцевых полках, на фиг. 6 - вариант облицовки наклонных и радиальных распорных элементов слоями ткани или перекрещивающимися нитями из стекло- или базальтоволокон, на фиг. 7 - схема армирования шпангоута слоями тканой армировки из стекловолокон или тонкими слоями алюминиевой фольги по его торцевыми поверхностям, на фиг. 8 - схема закрепления наклонных распорных элементов во внутренней кольцевой полке, на фиг. 9 - тавровое сечение шпангоута, на фиг. 10 - двутавровое сечение шпангоута, на фиг. 11 - сечение шпангоута в виде швеллера, на фиг. 12 - зетобразный профиль шпангоута.

Опорный шпангоут из композиционных материалов (фиг. 1) содержит наружную и внутреннюю кольцевые полки 1,2 с множеством крестообразно пересекающихся наклонных распорных элементов 3,4 между ними, с введенными радиальными распорными элементами 5, пересекающимися с наклонными распорными элементами 3,4 (фиг. 2).

Наклонные и радиальные распорные элементы 3, 4 и 5 зафиксированы концами 6, 7 и 8 в наружных кольцевых полках 1, концами 9, 10 и 11 - во внутренних кольцевых полках 2 (фиг. 5), наклонные и радиальные распорные элементы 3, 4 и 5 выполнены в виде пластин (фиг. 3, фиг. 4) из армирующих нитей 12, 13 и 14 на основе высокомодульных, например угольных или борных волокон с расположением их в радиальных параллельных плоскостях 15, 16 и 17. Наклонные и радиальные распорные элементы 3, 4 и 5 могут быть облицованы слоями 18, 19 и 20 ткани или перекрещивающимися нитями 21, 22, 23 из стекло- или базальтоволокон (фиг. 6). По торцевым поверхностям 24 и 25 опорный шпангоут может быть усилен слоями 26, 27 тканой армировки из стекловолокон или тонкими слоями 26, 27 алюминия, например алюминиевой фольги (фиг. 7).

Для наиболее эффективного закрепления наклонные распорные элементы 3, 4 направлены гранями 28, 29 и 30, 31 по касательным соответственно к внутренней и наружной поверхностям 32, 33 внутренней кольцевой полки 2 (фиг. 8). Полки 1, 2 шпангоута могут быть выполнены с симметричным или асимметричным или с односторонним расположением по отношению к распорным элементам 3, 4 и 5 между ними, например в виде тавра (фиг. 9), двутавра (фиг. 10), швеллерообразного профиля (фиг. 11), зетобразного профиля (фиг. 12).

Использование шпангоута из композиционных материалов заключается в подсоединении его к оболочечной конструкции или установке его на внутренней поверхности оболочечной конструкции, монтаже на шпангоуте приборов деталей для восприятия и передачи силовых нагрузок.

Наиболее эффективны в исполнении, производстве и дальнейшем использовании опорные шпангоуты, изготовленные из армирующих нитей из угольных или борных волокон и полимерного связующего, выполненные в объемном соотношении от 1: 0,5 до 1:1,2, при этом армирующие нити пересекающихся наклонных и радиальных распорных элементов могут быть выполнены в объемном соотношении от 1:2,5 до 1:0,25.

Проведенные испытания опорного шпангоута из композиционных материалов на основе нового технического решения подтвердили его высокую прочность и надежность. Испытания шпангоута проводили на радиальное сжатие и изгиб. Реализация предложенного технического решения позволяет получить высококачественные изделия для корпусных отсеков летательных аппаратов с использованием полимерного связующего на основе эпоксидной смолы.

Таким образом, предложенное техническое решение по конструктивному исполнению является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле и чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные варианты выполнения изобретения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема, изложенных в пунктах формулы. Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в изделиях для летательных аппаратов и может быть использовано в других областях техники, где требуется применение подобных шпангоутов из композиционных материалов, повышенной жесткости, прочности и надежности и других свойств, описанных в материалах заявки.

Новое техническое решение в предложенной совокупности новых и известных существенных признаков соответствует и критерию "Промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Изобретение относится к шпангоутным оболочечным конструкциям. Между полками шпангоута введены радиальные распорные элементы, пересекающиеся с наклонными распорными элементами, зафиксированные концами в полках. Наклонные радиальные распорные элементы выполнены в виде пластин с расположением их армирующих нитей в радиальных параллельных плоскостях на основе высокомодульных, например, угольных или борных волокон. В результате достигается выполнение шпангоута с высокой прочностью, жесткостью и надежностью. 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Опорный шпангоут из композиционных материалов, содержащий наружную и внутреннюю кольцевую полки с множеством крестообразно пересекающихся наклонных распорных элементов между ними, зафиксированных в них концами, выполненных за одно целое из однонаправленных армирующих нитей и полимерного связующего, отличающийся тем, что между полками шпангоута введены радиальные распорные элементы, пересекающиеся с наклонными распорными элементами, зафиксированные концами в полках, причем наклонные и радиальные распорные элементы выполнены в виде пластин с расположением их армирующих нитей в радиальных параллельных плоскостях на основе высокомодульных, например, угольных или борных волокон. 2. Шпангоут по п.1, отличающийся тем, что армирующие нити пересекающихся наклонных и радиальных элементов выполнены в объемном соотношении от 1 : 2,5 до 1 : 0,25. 3. Шпангоут по пп.1 и 2, отличающийся тем, что армирующие нити пересекающихся наклонных и радиальных распорных элементов и скрепляющее их полимерное связующее выполнены в объемном соотношении от 1 : 0,5 до 1 : 1,2. 4. Шпангоут по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего для скрепления нитей пластин и полок использована композиция на основе эпоксидной смолы. 5. Шпангоут по пп.1 - 4, отличающийся тем, что наклонные и радиальные распорные элементы облицованы слоями ткани или перекрещивающимися нитями из стекловолокон или базальтоволокон. 6. Шпангоут по пп.1 - 5, отличающийся тем, что распорные элементы по его торцевым поверхностям армированы скрепленными с ними слоями тканой армировки из стекловолокон или тонкими слоями алюминия, например, алюминиевой фольги. 7. Шпангоут по пп.1 - 6, отличающийся тем, что наклонные распорные элементы направлены гранями по касательным соответственно к внутренней и наружной поверхностям внутренней кольцевой полки. 8. Шпангоут по пп.1 - 7, отличающийся тем, что полки шпангоута могут быть выполнены с симметричным или асимметричным или с односторонним расположением по отношению к распорным элементам между ними, например, в виде тавра, двутавра, швеллеро- или зет- образного профиля.