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.

Одной из частей армированных оболочек, где возникают всплески напряжений при действии внутреннего давления, являются зоны сопряжения днища с цилиндрической частью, обладающие разной расчетной толщиной в этой зоне. Но обеспечение повышенных требований по прочности, надежности и весовому совершенству, предъявляемые к армированным оболочкам из композиционных материалов, возможно при исключении всевозможных скачков напряжений и реализации постоянных напряжений по всей длине армирующего материала.

Известна слоистая оболочка для высокого внутреннего давления, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком и торцевыми днищами, плавно сопряженными переходами с цилиндрическим участком каркаса (патент USA 4398646, 220/3, 1983). В данной оболочке внутренняя поверхность днища переходит во внутреннюю поверхность цилиндрической части на максимальном радиусе внутренней поверхности. Наружная поверхность днища плавно переходит в цилиндрическую часть с увеличением толщины оболочки.

Известны армированные оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала по патентам USA 3843010, 220/3, 1974; 5018638, 220/414, 1991, в которых внутренняя поверхность днищ плавно доходит до внутренней поверхности цилиндрической части и соединяется с ней.

Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами, плавно сопряженными по наружной поверхности переходами с цилиндрическим участком каркаса, 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 (патент USA 5429845, 428/34.1, 1994). В данной оболочке также внутренняя поверхность днища переходит во внутреннюю поверхность цилиндрической части на максимальном радиусе внутренней поверхности, а наружная поверхность с провалом в средней части перехода.

Во всех рассмотренных вариантах в конструкции оболочки в зоне перехода днища в цилиндрическую часть возникают всплески деформаций и напряжений, вызванные разнодлинностью наружной и внутренней поверхностей в меридиональном направлении и приводящие к снижению несущей способности оболочки при действии внутреннего давления.

Наиболее близким аналогом технического решения является армированная оболочка по патенту USA 5429845, 428/34.1, 1994, 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 того, что переходная зона днища в цилиндрическую часть ограничена равнодлинными поверхностями, а однотипные слои равноудалены от свободных поверхностей.

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, цилиндрический участок силового каркаса снабжен равнодлинным с ним внутренним кольцевым выступом, плавно сопряженным с выпуклыми днищами с образованием с ними кольцевых углублений, максимальный диаметр которых превышает внутренний диаметр кольцевого выступа цилиндрического участка силового каркаса, причем однотипные слои из спиральных и кольцевых лент размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней и наружной поверхностей оболочки.

Максимальный диаметр кольцевых углублений не превышает внутренний диаметр кольцевого выступа цилиндрического участка более чем на 0,5*h_к, где h_к - суммарная толщина кольцевых слоев в зоне перехода.

Отличительными особенностями армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала являются следующие признаки:
- цилиндрический участок силового каркаса снабжен равнодлинным с ним внутренним кольцевым выступом;
- кольцевой выступ равнодлинен цилиндрическому участку; плавно сопряжен с выпуклыми днищами с образованием с ними кольцевых углублений, максимальный диаметр которых превышает внутренний диаметр кольцевого выступа цилиндрического участка силового каркаса;
- однотипные слои из спиральных и кольцевых лент размещены попарно на равноудаленных поверхностях от внутренней и наружной поверхностей оболочки;
- максимальный диаметр кольцевых углублений не превышает внутренний диаметр кольцевого выступа цилиндрического участка более чем на 0,5*h_к, где h_к - суммарная толщина кольцевых слоев в зоне перехода.

Эти существенные признаки позволяют снизить уровень деформаций в силовом каркасе в зоне сопряжения днища с цилиндрической частью, 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 обнаружено, 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 сопряжения днища с цилиндрической частью силового каркаса.

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.

Внутренний кольцевой выступ 20 (фиг.2), равнодлинный цилиндрическому участку 2, плавно сопряжен с выпуклыми днищами 3, 4 с образованием с ними кольцевых углублений 21, максимальный диаметр 22 которых превышает внутренний диаметр кольцевого выступа 23 цилиндрического участка силового каркаса, причем однотипные слои из спиральных 15 и кольцевых лент 16 размещены попарно на равноудаленных расстояниях (расстояния а=a'; b=b'; с=с'; d=d') от внутренней и наружной поверхностей оболочки.

Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала (фиг.1, 2) 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 сопряжения днищ с цилиндрическим участком 2 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.

Силовой каркас армированной оболочки для высокого внутреннего давления состоит из цилиндрического участка и торцевых выпуклых днищ и фланцев в их полюсных отверстиях. Днища плавно сопряжены по наружной поверхности переходами с цилиндрическим участком каркаса. Каркас образован комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент с расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, и облицован внутренним защитным покрытием. Цилиндрический участок силового каркаса снабжен равнодлинным с ним внутренним кольцевым выступом, плавно сопряженным с днищами с образованием с ними кольцевых углублений. Максимальный диаметр углублений превышает внутренний диаметр кольцевого выступа цилиндрического участка. Однотипные слои из спиральных и кольцевых лент цилиндрического участка размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней и наружной поверхностей оболочки. Использование изобретения позволит повысить несущую способность, весовое совершенство и эксплуатационную надежность армированной оболочки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами, плавно сопряженными по наружной поверхности переходами с цилиндрическим участком каркаса, фланцами в полюсных отверстиях днищ, 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 цилиндрический участок силового каркаса снабжен равнодлинным с ним внутренним кольцевым выступом, плавно сопряженным с выпуклыми днищами с образованием с ними кольцевых углублений, максимальный диаметр которых превышает внутренний диаметр кольцевого выступа цилиндрического участка силового каркаса, причем однотипные слои из спиральных и кольцевых лент цилиндрического участка размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней и наружной поверхностей оболочки. 2. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что максимальный диаметр кольцевых углублений не превышает внутренний диаметр кольцевого выступа цилиндрического участка более чем на 0,5•h_k, где h_k - суммарная толщина кольцевых слоев на цилиндрическом участке.