СЕТЧАТАЯ ОБОЛОЧКА В ВИДЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2010 года по МПК B64C1/00 B32B1/08 B32B3/12 F16L9/12 

Изобретение относится к области машиностроения к оболочечным конструкциям из полимерных композиционных материалов и может быть использовано при создании межступенчатых отсеков или отсеков-адаптеров летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.

К оболочкам из композиционного материала предъявляются повышенные требования по массе, прочности и надежности, исключающие разрушение конструкции от воздействия нагрузок в заданных режимах эксплуатации.

Известна несущая оболочка в виде тела вращения из композиционного материала, содержащая сетчатый слой из множества пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающий его наружный слой с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, а также кольцевой слой настила спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей в наружном слое со стороны сетчатого слоя из пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости, скрепленных полимерным связующим (патент RU №2153419, МПК⁷ В32В 1/08, 2000).

Известна оболочка, содержащая множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим (патент RU №2107622, МПК⁶ В64С 13/26, 1998).

Также известна аналогичная оболочка из композиционного материала (патент RU №2084343, 1997).

К недостаткам известных оболочек следует отнести необеспечение ими высокой прочности, жесткости и надежности конструкции со стороны торцевых кольцевых ребер жесткости из-за возникающих расслоений при появлении сдвиговых деформаций при приложении нагрузок, особенно циклических.

К недостаткам известных оболочек следует также отнести их низкую надежность из-за недостаточной оптимизации и низкой жесткости конструкций, а также большую массу при стыковке верхним (нижним) торцем со смежными конструкциями, воздействующими на торцы оболочки сосредоточенными усилиями, например, через кронштейны. В этом случае торцевые концевые элементы должны иметь максимальную жесткость, что ведет к значительному увеличению их массы, и, кроме того, в силовой схеме должно быть задействовано максимальное количество спиральных ребер, что также ведет к увеличению массы конструкции.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, принята несущая оболочка в виде тела вращения из композиционного материала по патенту RU №2153419.

Основной задачей является создание обладающей новизной несущей оболочки в виде тела вращения из композиционного материала, в которой исключены были бы недостатки известных решений, достигалась бы высокая прочность, жесткость и надежность.

Технический результат, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в повышении надежности работы оболочки, повышении ее жесткости, а также снижении массы.

Поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая множество пересекающихся, выполненных за одно целое, спиральных и кольцевых ребер, образованных из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях, и покрывающие слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим, при этом в соответствии с требованием ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям, общим с кольцевыми поверхностями слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, с примыканием вершин зигов к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутке между ними со спиральными или со спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, размещенных преимущественно по концам оболочки, в вершинах зигов введены локальные прослойки армирующего материала, скрепленные со слоями кольцевых лент торцевого кольцевого ребра, для выравнивания нормальных напряжений в спиральных ребрах вершины зигов зигзагообразных ребер смещены относительно друг друга на угол φ=±(15°…90°), для снижения массы конструкции и повышения ее жесткости в местах действия сосредоточенных усилий зигзагообразные ребра совместно с пересекающимися спиральными и кольцевыми ребрами образуют непрерывную систему ячеек минимальных размеров, примыкающую к торцевому кольцевому ребру.

Отличительными признаками являются следующие признаки:

- ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям слоев системы перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направленный на решение поставленной задачи с достижением технического результата на повышение надежности работы конструкции за счет ее оптимизации и повышение жесткости;

- с примыканием вершин зигов к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутках между ними со спиральными или спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер, с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, расположенных преимущественно на концах оболочки, - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение и взаимодействие элементов, направленный на решение поставленной задачи с достижением технического результата, так как оно обеспечивает более равномерное распределение усилий (напряжений) в спиральных ребрах при действии сосредоточенных усилий на торцевое кольцевое ребро, что дает наибольший эффект оптимизации конструкции, следовательно, признак направлен на повышение надежности работы конструкции и снижение ее массы;

- между слоями в вершинах зигов зигзагообразных ребер введены локальные прослойки армирующего материала, скрепленные со слоями кольцевых лент торцевого кольцевого ребра, - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направленный на снижение касательных напряжений и распределение нормальных напряжений вдоль направления армирования элементов;

- вершины зигов зигзагообразных ребер смещены относительно друг друга на угол φ=±(15°…90°) - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, так как введение нескольких зигзагообразных ребер, смещенных относительно друг друга на требуемый угол, позволяет выровнять нормальные напряжения в спиральных ребрах по окружности и длине оболочки и максимально использовать несущую способность армирующего материала при действии на торцевое кольцевое ребро сосредоточенных усилий, что дает наибольший эффект оптимизации конструкции, следовательно, признак направлен на повышение надежности и снижение массы конструкции;

- зигзагообразные ребра совместно с перекрещивающимися спиральными и кольцевыми ребрами образуют непрерывную систему ячеек минимальных размеров, примыкающую к торцевому кольцевому ребру, - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов, новое взаимное расположение и их новую форму, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата на повышение надежности работы за счет ее оптимизации, повышение жесткости и снижение массы силовых элементов и торцевого кольцевого ребра, так как силовые элементы являются местом приложения сосредоточенных усилий, а также местом заделки спиральных ребер.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технических результатов. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технических результатов и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению надежности работы сетчатых оболочек без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладают неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием.

На фиг.1 представлен общий вид сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов с множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер и наружной обшивкой, на фиг.2 - фрагмент развертки оболочки, на фиг.3 - сечение А-А, на фиг.4 - сечение Б-Б.

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

Сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4) содержит множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер 1, 2 и покрывающие их слои 3 наружной обшивки, зигзагообразное ребро 4, смещенное относительно ребра 4 на угол 90° зигзагообразное ребро 5, зигзагообразные ребра 4 и 5 примыкают к торцевому кольцевому ребру 6, слои армирующего материала 7, соединяющие торцевое кольцевое ребро с зигзагообразными ребрами 4 и 5. На фиг.4 показаны слои армирующего материала 7, слои зигзагообразного ребра 8, слои торцевого кольцевого ребра 9.

Порядок изготовления сетчатой оболочки из композитных материалов заключается в нанесении и закреплении на поверхности оправки гибких пластин (не показано), выполненных с сетью пересекающихся пазов с разделительным слоем под ленты из нитей для формообразования в них спиральных, кольцевых и зигзагообразных ребер, в намотке по спиральным, кольцевым и зигзагообразным пазам ячеистой структуры соответствующих лент, пропитанных полимерным связующим, нанесении на спиральные, кольцевые и зигзагообразных ребра лент для образования внешней обшивки с последующей полимеризацией связующего, извлечении оправки, формообразующих гибких пластин и получении сетчатой оболочки из композиционных материалов.

Ширина и высота ребер 1, 2, 4, 5, 6, угол смещения ребер 4 и 5, их количество, толщина наружной обшивки определяются специальным расчетом.

При нагружении сетчатой оболочки из композиционных материалов осевыми локальными нагрузками спиральные 1, кольцевые 2 и зигзагообразные 4, 5 ребра и внешняя обшивка 3 работают совместно в пределах допустимого напряженно-деформированного состояния за счет эффективного подключения к работе с помощью зигзагообразных ребер практически всех спиральных и кольцевых ребер при обеспечении восприятия повышенных критических нагрузок без разрушения конструкции.

Таким образом, новое техническое решение при реализации в сетчатых оболочках из композитных материалов является воспроизводимым промышленным путем, дает новый технический результат, соответствует критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.

Изобретение относится к оболочечным конструкциям корпусных деталей, применяемых в авиационной технике, работающих в условиях повышенных нагрузок. Сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов содержит спиральные и кольцевые ребра, образованные из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент. Ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами равномерно смещены друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях и выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям, общим с кольцевыми поверхностями слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент. Вершины зигов примыкают к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутке между ними со спиральными или со спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер, с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, размещенных преимущественно на концах оболочки. Достигается повышение жесткости, улучшение надежности и уменьшение массы конструкции. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая множество пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер, образованных из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами, равномерно смещенных относительно друг друга в окружном и спиральном направлениях, и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим, отличающаяся тем, что ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям, общим с кольцевыми поверхностями слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, с примыканием вершин зигов к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутке между ними со спиральными или со спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер, с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, размещенных преимущественно на концах оболочки.

2. Сетчатая оболочка по п.1, отличающаяся тем, что между слоями в вершинах зигов зигзагообразных ребер введены локальные прослойки армирующего материала, скрепленные со слоями кольцевых лент торцевого кольцевого ребра.

3. Сетчатая оболочка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вершины зигов зигзагообразных ребер смещены относительно друг друга в окружном направлении на угол φ=±(15°…90°).

4. Сетчатая оболочка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что зигзагообразные ребра совместно с перекрещивающимися спиральными и кольцевыми ребрами образуют непрерывную систему ячеек минимальных размеров, примыкающую к торцевому кольцевому ребру.