АРМИРОВАННАЯ ОБОЛОЧКА ДЛЯ ВЫСОКОГО ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2003 года по МПК F17C1/06 F17C1/16 

Изобретение относится к оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным оболочкам для высокого внутреннего давления, используемым в качестве несущих конструкций или узлов, находящихся в условиях кратковременного или длительного воздействия избыточного внутреннего давления.

К армированным оболочкам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и весовому совершенству при использовании их в качестве несущих конструкций баллонов и емкостей при действии высоких внутренних давлений.

Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, контактирующими с их внутренними поверхностями, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием (патенты США 3047191, кл. 220/83 1962 г., N3083864, кл. 220-83, 1963 г.). В данной армированной оболочке внутренние поверхности днищ силового каркаса и контактирующие с ними поверхности фланца выполнены в виде выпуклых поверхностей, что приводит к возникновению изгибных деформаций и увеличению напряжений на днище в зоне полюсного отверстия при действии внутреннего давления и не позволяет использовать всю потенциальную энергетику армирующего материала силового каркаса.

Известна также армированная оболочка по патенту ЕР 0300931 Bl, F 17 C 1/16, F 17 C 1/12, 1991, в которой днища и контактирующие с внутренними поверхностями днищ силового каркаса поверхности фланца выполнены в виде конических поверхностей, что приводит при действии внутреннего давления к большим изгибным деформациям и напряжениям на днище вне полюсного отверстия и существенно ухудшает несущую способность силового каркаса.

Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, в которой поверхность днищ и прилегающая поверхность фланцев спрофилированы из условия обеспечения максимальной прочности в однонаправленных лентах на днище (книга Образцов И.О., Васильев В. В. , Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М. , 1977, - 144 с.). Поверхность днищ такой оболочки выпукла по всей образующей с переменным, но конечным меридиональным радиусом кривизны во всех точках. Использование подобного решения позволяет получать максимальную реализацию прочности используемого армирующего материала по сравнению со всеми остальными схемами, но меньшую по сравнению с теоретическими прогнозами. При этом разрушение силового каркаса оболочки происходит обычно у полюсного отверстия.

Причинами появления больших напряжений у полюсного отверстия по сравнению со всей поверхностью днища и оболочки в целом является изгибное деформирование этой зоны, определяемое геометрическими параметрами оболочки у полюсного отверстия.

Наиболее близким аналогом технического решения является армированная оболочка по книге "Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов", выбранная в качестве прототипа, авторов Образцова И.Ф. и др.

Основной задачей является создание армированной оболочки из слоистого композиционного материала повышенного качества, в которой были бы устранены вышеуказанные недостатки, оболочка обладала бы повышенной прочностью.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение несущей способности, весового совершенства и эксплуатационной надежности армированной оболочки при действии внутреннего давления.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции днищ каркаса армированной оболочки и вмотанных в их полюсные отверстия фланцев для исключения изгибного деформирования оболочки у полюсного отверстия.

Для этого в армированной оболочке для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащей силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, контактирующими с их внутренними поверхностями, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, фланец и внутренняя поверхность выпуклого днища снабжены кольцевыми поверхностями с прямолинейной образующей с меньшим радиусом, выполненным, равным радиусу полюсного отверстия, и наибольшим радиусом, равным r₀+(r_b-r₀)•(0,25-0,9), где r₀ - радиус полюсного отверстия, r_b - максимальный радиус фланца. Кольцевые поверхности могут быть выполнены с перпендикулярным расположением прямолинейных образующих к оси симметрии оболочки.

Фланец может быть снабжен выступом, а днище - углублением, с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями с прямолинейными образующими. Кольцевые поверхности выступа и углубления соответственно фланца и днища могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от - 30^o до 0^o.

Фланец может быть снабжен углублением, а днище - выступом, с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями с прямолинейными образующими. Кольцевые поверхности углубления и выступа соответственно фланца и днища могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от 0^o до 30^o.

Отличительными особенностями армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала являются следующие признаки:
- фланец и внутренняя поверхность выпуклого днища снабжены кольцевыми поверхностями с прямолинейной образующей;
- с меньшим радиусом кольцевой поверхности, выполненным равным радиусу полюсного отверстия и наибольшим радиусом кольцевой поверхности, равным r₀+(r_b-r₀)•(0,25-0,9), где r₀ - радиус полюсного отверстия, r_b - максимальный радиус фланца;
- кольцевые поверхности фланца и днища выполнены с перпендикулярным расположением прямолинейных образующих к оси симметрии оболочки;
- фланец снабжен выступом, а днище - углублением, с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями с прямолинейными образующими;
- кольцевые поверхности выступа и углубления соответственно фланца и днища могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от -30^o до 0^o;
- фланец снабжен углублением, а днище - выступом, с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями с прямолинейными образующими;
- кольцевые поверхности углубления и выступа соответственно фланца и днища могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от 0^o до 30^o.

Эти существенные признаки позволяют снизить уровень деформаций в днищах у полюсного отверстия, улучшить весовое совершенство оболочек и повысить их эксплуатационную надежность.

Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружены, что позволяет характеризовать армированную оболочку для высокого внутреннего давления соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат в весовом совершенстве конструкций с обеспечением их повышенной прочности и надежности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом научно-исследовательской работы и творческого вклада без использования стандартизованных проектов или рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для круга специалистов в данной области техники, соответствует в совокупности существенных признаков критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием.

На фиг.1 представлен общий вид армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, на фиг.2 показан участок днища с фланцем при выступе на фланце и углублении на днище, на фиг. 3 показан участок днища с прямолинейными образующими кольцевых поверхностей, перпендикулярными оси оболочки, на фиг.4 показан участок днища с фланцем при углублении на фланце и выступе на днище.

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем:
Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала (фиг.1) содержит силовой каркас 1 с цилиндрическим участком 2, торцевыми днищами 3, 4 и фланцами 5, 6 в их полюсных отверстиях 7, 8, образованный комбинацией групп 9, 10 и 11 слоев 12, 13, 14 спиральных и кольцевых лент 15, 16, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями 17, 18, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием 19.

Фланец 6 и внутренняя поверхность 20 выпуклого днища 4 (фиг.2) снабжены кольцевыми поверхностями 21, 22 с прямолинейной образующей 23 и 24 с меньшим радиусом, выполненным равным радиусу полюсного отверстия r₀ и наибольшим радиусом, равным r₀+(r_b-r₀)•(0,25-0,9), где r₀ - радиус полюсного отверстия, r_b - максимальный радиус фланца.

Кольцевые поверхности 21, 22 фланца 5, 6 и днища 3, 4 (фиг.3) выполнены с перпендикулярным расположением прямолинейных образующих 23, 24 к оси симметрии оболочки.

Фланец 5, 6 снабжен выступом 25 (фиг.2), а днище - углублением 26, с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями 21, 22 с прямолинейными образующими 23, 24.

Кольцевые поверхности 21, 22 выступа 25 и углубления 26 соответственно фланца 6 и днища 4 (фиг.2) могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих 23, 24 от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от -30^o до 0^o.

Фланец 6 снабжен углублением 27, а днище 4 - выступом 28 (фиг.4), с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями 21, 22 с прямолинейными образующими 23, 24.

Кольцевые поверхности углубления 27 и выступа 28 соответственно фланца 6 и днища 4 (фиг.4) могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих 23, 24 от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от 0^o до 30^o.

Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала (фиг.1 - 4) может быть изготовлена способом намотки на извлекаемую оправку (не показано) с последующим отверждением полимерного связующего.

Функционирование армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала на основе однонаправленных армирующих материалов и полимерного связующего заключается в нахождении его в напряженно-деформированном состоянии в пределах упругих свойств композиционного материала, из которого изготовлен ее силовой каркас 1, с учетом обеспечения высокой надежности и безопасности без разрушения днищ 3, 4 в зонах фланцев 5, 6 за счет снижения уровней деформаций и напряжений в композиционном материале у полюсного отверстия. Испытания армированных оболочек, изготовленных с использованием нового технического решения, показали положительные результаты. Реализация предложенного технического решения позволяет повысить весовое совершенство изделий с обеспечением повышенной прочности и надежности.

Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо в условиях производства, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, в предложенной совокупности признаков соответствует критерию "промышленная применимость", то есть уровню изобретения.

Следует отметить, что могут быть различные комбинации выполнения армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов. Предложенная форма выполнения представляет собой только возможные предпочтительные варианты ее осуществления, могут быть различные комбинации, если все это не выходит за пределы существующих признаков, изложенных в пунктах формулы.

Предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в армированных оболочках. Как для высокого внутреннего давления, оно может быть использовано для реализации обнаруженных и других свойств, описанных в материалах заявки, для получения емкостей, работающих под избыточным давлением.

Армированная оболочка содержит силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях. Каркас оборудован комбинацией групп слоев спиральных и концевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями. Нити скреплены полимерным связующим. Корпус облицован внутренним защитным покрытием. Фланец и внутренняя поверхность днища снабжены кольцевыми поверхностями с прямолинейной образующей с меньшим радиусом, выполненным равным радиусу полюсного отверстия, и наибольшим радиусом, равным r₀+(r_b-r₀)•(0,25-0,9), где r₀ - радиус полюсного отверстия, r_b - максимальный радиус фланца. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, контактирующими с их внутренними поверхностями, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что фланец и внутренняя поверхность выпуклого днища снабжены кольцевыми поверхностями с прямолинейной образующей, с меньшим радиусом, выполненным равным радиусу полюсного отверстия, и наибольшим радиусом, равным r₀+(r_b-r₀)•(0,25÷0,9), где r₀ - радиус полюсного отверстия, r_b - максимальный радиус фланца. 2. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевые поверхности фланца и днища выполнены с перпендикулярным расположением прямолинейных образующих к оси симметрии оболочки. 3. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что фланец снабжен выступом, а днище - углублением с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями с прямолинейными образующими. 4. Армированная оболочка по п. 3, отличающаяся тем, что кольцевые поверхности выступа и углубления соответственно фланца и днища могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от -30 до 0^o. 5. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что фланец снабжен углублением, а днище - выступом с соответственно выполненными на них кольцевыми поверхностями с прямолинейными образующими. 6. Армированная оболочка по п. 3, отличающаяся тем, что кольцевые поверхности углубления и выступа соответственно фланца и днища могут быть выполнены с отклонением прямолинейных образующих от перпендикуляра к оси симметрии оболочки в пределах от 0 до 30^o.