НЕСУЩАЯ ОБОЛОЧКА В ВИДЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F16L9/12 F17C1/06 F17C1/16 

Изобретения относятся к оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным оболочкам, используемым в качестве несущих корпусных конструкций для обеспечения надежного функционирования, находящихся в условиях сложного напряженно-деформированного состояния от воздействующих нагрузок, и предохранения от влияния температурных факторов рабочей и окружающей сред.

К армированным несущим оболочкам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и весовому совершенству при использовании их в качестве объемных корпусных изделий.

Известна несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая образующий ее профиль конгруэнтные слои из ориентированных лент армирующих нитей, скрепленных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы (патент US №3047191, Н К И 220-83, 1962).

В данной несущей оболочке количество сформированных слоев из лент армированных нитей выбрано из условия равнопрочности стенок оболочек.

В другой несущей оболочке слои сформированы из лент армирующих нитей, смещенных на определенный шаг. Материал обладает некоторой пористостью, что снижает качество и надежность изделий (патент US №3083864, Н К И 220-83, 1963).

Известна также несущая оболочка с нитяной структурой композиционного материала (патент US №3843010, Н К И 220-3, 1973).

Общими недостатками известных несущих оболочек является не полное использование прочностных свойств лент из комбинации армирующих нитей.

Известна структура оболочек на основе ориентированных лент из армирующих нитей с раскрытием способа их получения продольной и поперечной ориентацией, предназначенная для трубчатых и подобных изделий (авторское свидетельство SU №36656, МПК В 29 Д 23/00, 1960).

Указанная структура не позволяет обеспечить выполнение оболочек с наиболее эффективным профилем исходя из свойств армирующих нитей и их комбинации.

Наиболее близким аналогом, выбранным по сущности технического решения в качестве прототипа, является несущая оболочка по патенту US №3047191.

Основной задачей является создание несущей оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов высокой прочности и надежности с повышенным коэффициентом весового совершенства при максимальном использовании свойств армирующих нитей.

Техническим результатом от использования изобретения является сокращение расхода материалов и уменьшение затрат на изготовление изделий высокой прочности и надежности.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции несущей оболочки, ее профиля со структурами армирования на основе новой концепции комбинирования армирующих нитей с учетом свойств, их объемного соотношения, раскрытия геометрических особенностей.

Для этого несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая образующие ее профиль конгруэнтные слои из ориентированных лент армирующих нитей, скрепленных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, может быть выполнена четырьмя параллельными вариантами.

В варианте 1 каждый слой выполнен из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами от 45 до 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах от 0,6 до 8,5.

В варианте 2 каждый слой выполнен из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, соответственно расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами от 45 до 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах от 0,6 до 0,5.

В варианте 3 каждый слой выполнен из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами от 45 до 85° с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах от 0,6 до 3,5.

В варианте 4 каждый слой выполнен из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двух знакоразнонаправленным наклонам под углами от 45 до 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах от 0,6 до 3,5.

В каждом варианте профиль оболочки может быть образован по меньшей мере на общей длине, равной суммарной длине зон перехода от максимального диаметра до оси вращения.

Отличительными особенностями несущей оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов являются признаки:

первого варианта:

- выполнение каждого слоя из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам,

второго варианта:

- выполнение каждого слоя из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, соответственно расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам,

третьего варианта:

- выполнение каждого слоя из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам,

четвертого варианта:

- выполнение каждого слоя из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам,

всех вариантов:

- углы наклона знакоразнонаправленных поперечных нитей в пределах от 45 до 85°,

- форма образующей, определяемая зависимостью объемного соотношения продольных и поперечных нитей в лентах каждого слоя от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки,

- длина оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах от 0,6 до 3,5,

- образование профиля оболочки по меньшей мере на общей длине зон перехода от максимального диаметра до оси вращения.

Указанные отличительные признаки несущей оболочки из композиционных материалов являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, исключение какого-либо из них не позволяет решить поставленную задачу. Создание несущей оболочки (в указанных вариантах) стало возможным на основе использования новой концепции распределения и расположения армирующих нитей в ориентированных лентах каждого слоя с учетом образования формы образующей оболочки. При минимальных соотношениях длины и максимального диаметра несущая оболочка имеет максимально сближенные зоны плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, при максимальных соотношениях длины и максимального диаметра несущая оболочка имеет максимально вытянутые зоны плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения. Промежуточные соотношения длины и максимального диаметра определяют промежуточные формы образующей несущих оболочек. Все формы образующей несущих оболочек при указанных соотношениях параметризуются свойствами армирующих нитей с указанными линейными плотностями и комбинациями из них.

Указанные отличительные признаки несущей оболочки всех вариантов являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать параллельные технические решения соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу создания несущей оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов новыми параллельными решениями и достичь новый технический результат, что характеризует предложенные технические решения существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа, новые технические решения являются результатом разработки и опытно-экспериментальных исследований, творческого вклада, без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, неочевидны для специалистов, получены на основании новой концепции армирования структур по профилю образования конгруэнтных слоев и эффективного использования свойств армирующих нитей, соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием.

На фиг.1 представлена несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов минимальной длины, равной суммарной длине зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, на фиг.2 представлена несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов с максимальной длиной зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, на фиг.3 - профиль образующей оболочки минимальной длины, на фиг.4 - профиль образующей оболочки максимальной длины, на фиг.5 - типовая структура расположения армирующих нитей в ориентированных лентах слоя несущей оболочки минимальной длины, на фиг.6 - типовая структура расположения армирующих нитей в ориентированных лентах слоя несущей оболочки максимальной длины.

Более подробное описание сущности изобретений с показом позиций на чертежах состоит в следующем.

Несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов (фиг.1-фиг.6) содержит образующие ее профиль конгруэнтные слои 1 из ориентированных лент 2 армирующих нитей 3, 4 и 5, скрепленных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы. Армирующие нити 3 в ориентированных лентах 2 расположены вдоль них, армирующие нити 4 и 5 в ориентированных лентах 2 расположены в них по двум знакоразнонаправленным наклонам 6 и 7 под углами от 45 до 85°. Образующая 8 несущей оболочки (фиг.3) характеризует ее конфигурацию во всех вариантах при минимальном соотношении суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру, равному 0,6. Образующая 9 несущей оболочки (фиг.4) характеризует ее конфигурацию во всех вариантах при максимальном соотношении суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру, равному 3,5.

В первом варианте несущая оболочка в пределах указанных соотношений длины и диаметра может быть выполнена из армирующих стеклонитей 3 линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль ориентированных лент 2 (фиг.5, фиг.6), и стеклонитей 4, 5 линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам 6 и 7 под углами от 45 до 85°, с формой образующей 8, 9 (фиг.3, фиг.4), определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки.

Во втором варианте несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов в пределах указанных соотношений длины и диаметра может быть выполнена из армирующих арамидных нитей 3 линейной плотностью 100-600 текс, расположенных вдоль ориентированных лент 2 (фиг.5, фиг.6), и арамидных нитей 4, 5 линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам 6 и 7 под углами от 45 до 85°, с формой образующей 8, 9 (фиг.3, фиг.4), определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки.

В третьем варианте несущая оболочка в пределах указанных соотношений длины и диаметра может быть выполнена из армирующих стеклонитей 3 линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль ориентированных лент 2 (фиг.5, фиг.6), и арамидных нитей 4, 5 линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам 6 и 7 под углами от 45 до 85° с формой образующей 8, 9 (фиг.3, фиг.4), определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки.

В четвертом варианте несущая оболочка в пределах указанных соотношений длины и диаметра может быть выполнена из армирующих арамидных нитей 3 линейной плотностью 100-600 текс, расположенных вдоль ориентированных лент 2 (фиг.5, фиг.6), и стеклонитей 4, 5 линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам 6, 7 под углами от 45 до 85°, с формой образующей 8, 9 (фиг.3, фиг.4), определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки.

Функционирование несущих оболочек заключается в восприятии их конгруэнтными слоями 1 из ориентированных лент 2 армирующих нитей 3, 4 и 5, скрепленных полимерным связующим внутреннего избыточного давления рабочей среды как при статическом, так и при динамическом нагружении с обеспечением высокой прочности и надежности без разрушения.

Изготовление оболочек производится намоткой армирующих нитей, пропитанных полимерным связующим, с последующим отвердением заготовки по режимам полимеризации связующего с использованием специальных оправок (условно не показано). Оболочки предложенных вариантов воспроизводимы промышленным способом.

Проведенные расчеты вариантов несущих оболочек с использованием новых структур армирования на основе новой концепции ориентации и расположения армирующих нитей с учетом их свойств, соотношений и обнаруженных особенностей различных форм образующих, обеспечивающих эффективность использования материалов, подтвердили высокую прочность и надежность конструкции, проверенную натурными испытаниями с положительным результатом.

Таким образом, новые технические решения при реализации в несущих оболочках в виде тел вращения из композиционных материалов предложенных вариантов позволяют достичь новый технический результат, соответствуют критерию “промышленная применимость”, т.е. уровню изобретений.

Представленные варианты являются предпочтительными для их осуществления. Могут быть различные комбинации в отношении форм, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технических решений, изложенных в пунктах формулы.

Несущие оболочки могут быть использованы в баллонах давления, аппаратах с реализацией обнаруженных и других свойств, приведенных в описании, формуле и чертежах.

Изобретения относятся к оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным оболочкам, используемым в качестве несущих конструкций для обеспечения надежного функционирования, находящихся в условиях сложного напряженно-деформированного состояния от воздействующих нагрузок, и предохранения от влияния температурных факторов рабочей и окружающей сред. Несущая оболочка выполнена с формой образующей, определяемой зависимостью обьемного соотношения армирующих нитей. В несущей оболочке по первому варианту каждый слой выполнен из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами от 45^о до 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах от 0,6 до 3,5. По второму варианту каждый слой выполнен из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, расположенных по двум знакоразнонаправленным наклонам. По третьему варианту каждый слой выполнен из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам. А по четвертому варианту каждый слой выполнен из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностю 10-100 текс. Техническим результатом изобретения является высокая эффективность использования материалов. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая образующие ее профиль конгруэнтные слои из ориентированных лент армирующих нитей, скрепленных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, отличающаяся тем, что каждый слой выполнен из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами 45 - 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах 0,6 - 3,5.2. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что ее профиль образован по меньшей мере на общей длине, равной суммарной длине зон перехода от максимального диаметра до оси вращения.3. Несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая образующие ее профиль конгруэнтные слои из ориентированных лент армирующих нитей, скрепленных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, отличающаяся тем, что каждый слой выполнен из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, соответственно расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами 45 - 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения 1:0,1 - 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах 0,6 - 3,5.4. Оболочка по п.3, отличающаяся тем, что ее профиль образован по меньшей мере на общей длине, равной суммарной длине зон перехода от максимального диаметра до оси вращения.5. Несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая образующие ее профиль конгруэнтные слои из ориентированных лент армирующих нитей, скрепленных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, отличающаяся тем, что каждый слой выполнен из стеклонитей линейной плотностью 10-1300 текс, расположенных вдоль лент, и арамидных нитей линейной плотностью 14-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами от 45 - 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения 1:0,1 - 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах 0,6 - 3,5.6. Оболочка по п.5, отличающаяся тем, что ее профиль образован по меньшей мере на общей длине, равной суммарной длине зон перехода от максимального диаметра до оси вращения.7. Несущая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая образующие ее профиль конгруэнтные слои из ориентированных лент армирующих нитей, скрепленных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, отличающаяся тем, что каждый слой выполнен из арамидных нитей линейной плотностью 100-600 текс, расположенных вдоль лент, и стеклонитей линейной плотностью 10-100 текс, соответственно расположенных в них по двум знакоразнонаправленным наклонам под углами 45 - 85°, с формой образующей, определяемой зависимостью их объемного соотношения от 1:0,1 до 1:2 на всей длине оболочки, включая суммарную длину зон плавного перехода от максимального диаметра до оси вращения, выбранных из соотношения суммарной длины зон перехода от максимального диаметра до оси вращения к максимальному диаметру в пределах 0,6 - 3,5.8. Оболочка по п.7, отличающаяся тем, что ее профиль образован по меньшей мере на общей длине, равной суммарной длине зон перехода от максимального диаметра до оси вращения.