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

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.

Одними из наиболее нагруженных частей армированных оболочек являются зоны полюсных отверстий, где в основном происходит разрушение оболочки из-за превышения действующих напряжений, допустимых для армирующего материала. В то же время 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 с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием (патент US 3083864, кл. 220/83, 1963; 3047191, 220/83, 1962).

В данной армированной оболочке полюсное отверстие сформировано расположенными здесь спиральными лентами, в которых при нагружении внутренним давлением из-за больших кольцевых деформаций у полюсного отверстия растягивающие напряжения превышают предельные раньше, чем во всей оболочке.

Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, в которой в зоне полюсных отверстий между слоями расположены кольцевые элементы с внутренним диаметром, равным полюсному отверстию, и скрепленные со слоями оболочки болтовым соединением (US 4053081, кл. 220/3, 1977).

В данной оболочке кольцевые элементы перекрывают поверхность слоев с выходом к полюсному отверстию, что приводит к передаче меридиональных усилий через слой связующего, прочность которого гораздо ниже армирующего материала, и через болтовое соединение, что является само по себе достаточно сильным концентратором напряжений и не всегда приемлемо из конструкторских соображений.

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 с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием (патенты FR 2219899, МПК² В 65 Н 81/00, 1974; 2251756, МПК² F 16 J 11/00, 1974), в которых болты фланцевого соединения расположены в слоях композиционного материала у полюсного отверстия.

Данным оболочкам присущи недостатки, отмеченные выше (патент US 4053081, кл. 220/3, 1977), а именно необходимость усиления оболочки дополнительными слоями для обеспечения необходимой прочности композиционного материала в зоне расположения болтов.

Наиболее близким аналогом технического решения является армированная оболочка по патенту FR 2219899, МПК² В 65 Н 81/00, 1974, выбранная в качестве прототипа.

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 снижения кольцевых деформаций оболочки у полюсного отверстия введением толстостенного кольцевого элемента из высокомодульного материала в зоне полюсного отверстия силового каркаса оболочки. 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 с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, силовой каркас снабжен, по меньшей мере, одним толстостенным кольцевым элементом из высокомодульного материала, установленным в кольцевой впадине наружной поверхности кольцевого выступа днища, с соответственно выполненными их конгруэнтными контактными поверхностями, зафиксированным по наружной поверхности, по меньшей мере, одним слоем из спирально перекрещивающихся лент, причем внутренний диаметр кольцевого элемента равен d_пол+(2,0-3,0)•δ_лен, где d_пол - текущий диаметр полюсного отверстия, а δ_лен- ширина спиральной ленты у полюсного отверстия.

Кольцевой элемент может быть выполнен из высокопрочной стали или титана.

Кольцевой элемент может быть выполнен из композиционного материала с кольцевым расположением однонаправленных высокопрочных армирующих волокон. Отличительными особенностями армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала являются следующие признаки:
- силовой каркас снабжен, по меньшей мере, одним толстостенным кольцевым элементом из высокомодульного материала;
- установленным в кольцевой впадине наружной поверхности кольцевого выступа днища;
- с соответственно выполненными их конгруэнтными контактными поверхностями;
- кольцевой элемент зафиксирован по наружной поверхности, по меньшей мере, одним слоем из спирально перекрещивающихся лент;
- внутренний диаметр кольцевого элемента равен d_пол+(2,0-3,0)δ_лен, где d_пол - текущий диаметр полюсного отверстия, а δ_лен- ширина спиральной ленты у полюсного отверстия.

- кольцевой элемент выполнен из высокопрочной стали или титана;
- кольцевой элемент выполнен из композиционного материала с кольцевым расположением однонаправленного высокопрочного армирующего материала.

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 - участок днища у полюсного отверстия с одним кольцевым элементом на внешней поверхности выступа, на фиг. 3 - участок днища у полюсного отверстия с двумя кольцевыми элементами на внешней поверхности выступа.

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.

Кольцевой элемент 20 установлен в кольцевой впадине наружной поверхности 21 кольцевого выступа 22 днища у его полюсного отверстия 8. Кольцевой элемент 20 зафиксирован по наружной поверхности 23, по меньшей мере, одним слоем 24 из спирально перекрещивающихся лент.

Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала (фиг.1-3) может быть изготовлена способом намотки на извлекаемую оправку (не показано) с последующим отверждением полимерного связующего. Количество установленных колец определяется конкретными конструкторскими параметрами оболочки и может быть равно одному, двум и более.

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 полюсных отверстий 7, 8 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 представляет собой силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами и фланцами в из полюсных отверстия. Каркас образован комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент с расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями. У полюсного отверстия образован кольцевой выступ с кольцевой впадиной на наружной поверхности. Нити скреплены полимерным связующим. Каркас облицован внутренним защитным покрытием. Толстостенный кольцевой элемент из высокомодульного материала установлен в кольцевой впадине и зафиксирован по наружной поверхности по меньшей мере одним слоем спирально перекрещивающихся лент. Внутренний диаметр кольцевого элемента равен d_пол+(2,0-3,0)δ_лен, где d_пол - текущий диаметр полюсного отверстия, а δ_лен - ширина спиральной ленты у полюсного отверстия. Использование изобретения позволит повысить прочность оболочки. 2 з.п. ф-лы, 3 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 с образованием у полюсного отверстия кольцевого выступа с кольцевой впадиной на наружной поверхности, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что силовой каркас снабжен, по меньшей мере, одним толстостенным кольцевым элементом из высокомодульного материала, установленным в кольцевой впадине наружной поверхности кольцевого выступа днища, с соответственно выполненными их конгруэнтными контактными поверхностями, зафиксированным по наружной поверхности, по меньшей мере, одним слоем из спирально перекрещивающихся лент, причем внутренний диаметр кольцевого элемента равен d_пол+(2,0-3,0)δ_лен, где d_пол - текущий диаметр полюсного отверстия, а δ_лен - ширина спиральной ленты у полюсного отверстия. 2. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой элемент выполнен из высокопрочной стали или титана. 3. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой элемент выполнен из композиционного материала с кольцевым расположением однонаправленных высокопрочных армирующих волокон.