СЛОИСТАЯ ТРУБА Российский патент 2003 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано при производстве трубчатых стержневых элементов для высокоточных изделий космического и наземного применения, например ферменных платформ, солнечных батарей космических радиотелескопов.

К трубчатым стержневым элементам для высокоточных изделий предъявляются повышенные требования по стабильности формы и размеров, которые достигаются получением структуры стенки трубы с минимальным разбросом свойств по сечению и длине.

Известна слоистая труба (Заявка Японии 4-14870, кл. В 29 В 23/22, 1992 г. ), которая состоит из внутреннего, промежуточного и внешнего слоев. Внутренний слой образован из препрега, представляющего собой листовой материал, в котором высокоэластичные и высокопрочные волокна расположены под углом 85-90^o относительно осевой и который пропитан синтетической смолой. Промежуточный слой образован из препрега, выполненного из высокопрочных и высокоэластичных волокон, расположенных только в осевом направлении, крученных в одном направлении и пропитанных синтетической смолой. Внешний слой навит в один или несколько слоев на внешнюю поверхность промежуточного слоя под определенным углом к оси.

Эта конструкция не позволяет получить стабильные параметры структуры трубы из-за отклонений траекторий армирования отдельных слоев и несбалансированности натяжения волокон спиральных и продольных слоев при намотке и выкладке в процессе формования трубы.

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является слоистая труба, выполненная из высокопрочных, высокоэластичных волокон и термореактивной, термопластичной смол и имеющая конечную часть в виде конуса с небольшим диаметром, среднюю часть в виде короткого конуса и основную часть в виде конуса с большим диаметром. Данная труба имеет внутренний слой, полученный намоткой под углом 45÷90^o на вставку ленты, полученной пропиткой листового препрега из одного вида волокон и тканого препрега; промежуточный слой, полученный приклеиванием к внешней поверхности слоя без промежутков шести сегментов, выполненных из однонаправленного листа и тканого препрега и состоящих из трех длинных сегментов и трех коротких сегментов; внешний слой, полученный намоткой на промежуточный слой с определенным шагом ленты, выполненной пропиткой смолой листового препрега из высокопрочного, высокоэластичного волокна одинакового или отличного от волокна внутреннего слоя, из фольги, проволоки или ленты, и тканого препрега (Заявка Японии 6024791, кл. В 32 В 1/08, 1994 г.).

Известная конструкция не обеспечивает высокой стабильности формы и размеров слоистой трубы в интервале температур (- 50) - (+ 50)^oС, что связано с ее структурой армирования.

Основной задачей является создание слоистой трубы с высокой стабильностью формы и размеров в интервале температур (- 50) - (+ 50^oС), основанной на использовании однонаправленных лент, полимерных связующих, новых структур армирования и организации связей между слоями.

Техническим результатом от использования изобретения является получение слоистой трубы с высокой стабильностью формы и размеров в интервале температур (- 50) - (+ 50)^oС.

Для этого в слоистой трубе, содержащей выполненные из спирально навитого ленточного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, внутренний и наружный слои и расположенный между внутренним и наружным слоями средний слой, соединенный с ними и выполненный из уложенных один возле другого отформованных элементов из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, согласно предлагаемому изобретению, внутренний и наружный слои выполнены из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, намотанного по спирали в двух противоположных направлениях под углом 5-89^o к оси трубы, а средний слой образован из соединенных между собой элементов одинакового прямоугольного сечения, выполненных из материала, идентичного материалу внутреннего и наружного слоев или отличного от него и уложенных по образующей трубы под углом 0^o к ее оси.

Кроме того, слоистая труба может дополнительно содержать два слоя, выложенных на наружный слой и соединенных с ним. Первый дополнительный слой, выложенный непосредственно на наружный слой, аналогичен по структуре среднему слою и выполнен из материала, идентичного материалу среднего слоя. Расположенный на первом дополнительном слое второй дополнительный слой аналогичен по структуре наружному слою и выполнен из материала, идентичного материалу наружного слоя.

Для спиральных слоев может быть использован материал на основе углеродных, арамидных, стеклянных волокон или их комбинации и термореактивных связующих. Элементы среднего слоя могут быть изготовлены из тех же материалов в комбинациях, подобных материалу спиральных слоев или отличных от него.

Признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.

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

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками слоистой трубы позволяют решить поставленную задачу получения слоистой трубы с повышенной стабильностью формы и размеров в интервале температур (- 50) - (+ 50)^oС.

Новое техническое решение конструкции слоистой трубы является результатом анализа и опытно-экспериментальных исследований, творческого вклада в разработку и создание новых модификаций слоистых труб, получено без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, в совокупности существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлен общий вид слоистой трубы, на фиг.2 представлен общий вид слоистой трубы с дополнительными слоями.

Слоистая труба (фиг.1) содержит внутренний слой 1, полученный намоткой по спирали в двух противоположных направлениях лент определенной ширины из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим под углом α=5÷89^o к оси трубы. Средний слой 2 выполнен из одинаковых профилей прямоугольного сечения, уложенных один возле другого по образующей трубы под углом 0^o к ее оси из однонаправленного волокнистого материала, идентичного материалу внутреннего и наружного слоев или отличного от него. Наружный слой 3 получен намоткой по спирали в двух противоположных направлениях лент определенной ширины из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, под углом от 5÷89^o к оси трубы.

Слоистая труба (фиг. 2) содержит дополнительный слой 4, аналогичный по структуре слою 2 и выполненный из материала, идентичного материалу слоя 2, и слой 5, аналогичный по структуре слоям 1 и 3 и выполненный из материала/ идентичного материалу слоев 1 и 3.

Толщина слоев, выполняемых намоткой, получается последовательной намоткой по спирали лент материала и выбирается в соответствии с заданным термическим коэффициентом линейного расширения материала трубы.

Изготовление слоистой трубы в предложенных вариантах исполнения производится намоткой и выкладной слоев на специальную оправку.

Функционирование слоистой трубы заключается в одновременном подключении к работе всех слоев трубы, что обеспечивает получение технического результата.

В интервале температур (- 50) - (+ 50)^oС проведены испытания слоистых труб со следующими параметрами: длины 917÷1308 мм, внутренние диаметры 100 и 75 мм; внутренний и наружный слои из материала КМУ-4Л толщиной 0,5 мм, средний слой из элементов с поперечным сечением 5 х 2 мм из материала КМУ-13; закрепление трубы - консольное. Максимальный термический изгиб составил 18÷19 мкм, термическое закручивание - 5÷16 с. Термический коэффициент линейного расширения материала составил -0,2•10^-6 ÷ -0,7•10^-6 1/^oС.

Реализация предложенного технического решения позволяет получить высокоточные изделия из трубчатых стержневых элементов космического и наземного применения.

Таким образом, новое техническое решение, описанное выше, по конструктивному исполнению является новым в технологическом отношении и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле и чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет возможные предпочтительные варианты его осуществления. В отношении формы, размеров, количества и расположения отдельных элементов могут быть различные варианты, если все это не выходит за пределы объема, изложенные в пунктах формулы.

Кроме этого, предложенное техническое решение может быть использовано в других областях техники, где требуются трубчатые конструкции из композиционных материалов с высокой стабильностью формы и размеров.

Новое техническое решение в предложенной совокупности существенных признаков соответствует и критерию "промышленная применимость".

Изобретение может быть использовано при производстве трубчатых стержневых элементов для высокоточных изделий космического и наземного применения. Технический результата изобретения состоит в создании слоистой трубы с высокой стабильностью формы и размером в интервале температур (- 50) - (+ 50)^oС. Слоистая труба содержит внутренний слой 1, полученный намоткой по спирали в двух противоположных направлениях лент определенной ширины из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, под углом α = 5 ÷ 89^o к оси трубы. Средний слой 2 образован из соединенных между собой элементов одинакового прямоугольного сечения, уложенных один возле другого по образующей трубы под углом 0^o к ее оси и выполненных из материала, идентичного материалу внутреннего и наружного слоев или отличного от него. Наружный слой 3 аналогичен по структуре внутреннему слою и выполнен из материала, идентичного материалу внутреннего слоя. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Слоистая труба, содержащая выполненные из спирально навитого ленточного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, внутренний и наружный слои и расположенный между внутренним и наружным слоями и соединенный с ними средний слой, выполненный из уложенных один возле другого отформованных элементов из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, отличающаяся тем, что внутренний и наружный слои выполнены из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, намотанного по спирали в двух противоположных направлениях под углом 5÷89^o к оси трубы, а средний слой образован из соединенных между собой элементов одинакового прямоугольного поперечного сечения, выполненных из материала, идентичного материалу внутреннего и наружного слоев или отличного от него, и уложенных по образующей трубы под углом 0^o к ее оси. 2. Слоистая труба по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит два слоя, выложенных на наружный слой и соединенных с ним, первый из которых, аналогичный по структуре среднему слою и выполненный из материала, идентичного материалу среднего слоя, расположен на наружном слое, а второй, аналогичный по структуре наружному слою и выполненный из материала, идентичного материалу наружного слоя, расположен на первом дополнительном слое.