АДАПТЕР В ВИДЕ ПОДКРЕПЛЕННОЙ ОБОЛОЧКИ ВРАЩЕНИЯ КОНИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК B32B3/12 F02K9/32 

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

Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов конической формы, образованная множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из пересекающихся лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, в которой спиральные и кольцевые ребра имеют полки из мелкоячеистого материала (патент РФ №2107622, МПК⁶ В32В 3/12 от 27.03.1998 г.).

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов по патенту RU №2189907 С2, МПК⁷ В32В 3/12 от 27.09.2002 г., содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных обоих направлений и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами.

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов по патенту RU №2350818 С2, МПК F16L 9/12 В23В 3/12 от 27.03.2009 г., содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных обоих направлений и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, локальные зоны расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий, и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер, выполненных с расстоянием между собой, в 2-4 раза меньшим, чем это расстояние для остальных спиральных ребер, с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов.

В качестве аналога выбирается адаптер по патенту RU №2350818.

В выбранном аналоге по сравнению с заявленным изобретением:

- отсутствует наружная оболочка;

- отсутствует отбортовка ребер, характерная для ребер с тавровым профилем поперечного сечения;

- отсутствует участок на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце, необходимый для размещения навесного оборудования;

- отсутствуют металлический шпангоут и металлические закладные элементы;

- кольцевые ребра параллельны плоскости основания адаптера;

- спиральные ребра не расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера.

Учитывая, что угол при вершине конуса более 85 градусов, совместная работа оболочки и отбортовок ребер способствуют повышению устойчивости и жесткости конструкции, при этом сохраняется симметричность элементов конструкции, а соответственно и их унифицированность, что в свою очередь упрощает конструкцию средств технологического оснащения. Повышению устойчивости конструкции способствует расположение кольцевого ребра перпендикулярно основанию адаптера. Металлический шпангоут и металлические закладные элементы обеспечивают надежное соединение стыкуемых конструкций и навесного оборудования с адаптером, а также надежное восприятие эксплуатационных нагрузок (перерезывающих и вырывающих) в местах соединений. Расположение ребер, кроме кольцевых, в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера, обеспечивает повышенную жесткость конструкции.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции адаптера повышенной угловой и осевой жесткости, минимальной массы.

Технический результат, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в создании адаптера из полимерных композиционных материалов в виде оболочки вращения конической формы повышенной угловой и осевой жесткостью, с углом при вершине конуса более 85 градусов, с минимальной массой, с возможностью размещения в верхней части адаптера навесного оборудования и различных технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием.

Адаптер из полимерных композиционных материалов состоит из оболочки вращения конической формы, ограниченной верхним и нижним плоскими кольцевыми фланцами, соединенными между собой ребрами жесткости с тавровым профилем поперечного сечения. Ребра жесткости через отбортовку соединяются с оболочкой и располагаются как вдоль образующей, так и под углом к ней таким образом, чтобы соединялись между собой опорные места верхнего и нижнего фланцев. Кольцевое ребро расположено перпендикулярно основанию адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных основанию адаптера. Угол при вершине конуса более 85°. На верхний фланец по средствам клеемеханического способа устанавливается металлический шпангоут из высокопрочного алюминиевого сплава. В отверстия нижнего фланца и отверстия, расположенные на оболочке при помощи клеевого соединения, устанавливаются металлические закладные в виде втулок из высокопрочного алюминиевого сплава. На внутренней стороне адаптера имеется площадка для установки навесного оборудования.

Отличительными признаками изобретения являются:

- наличие наружной оболочки способствует повышению устойчивости и жесткости конструкции;

- наличие отбортовки ребер, характерной для ребер с тавровым профилем поперечного сечения, способствует надежному соединению ребер с оболочкой, обеспечивая тем самым совместную работу оболочки и ребер под нагрузкой, повышая устойчивость всей конструкции;

- оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку для установки элементов навесного оборудования. Вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца. Вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей, необходимыми для размещения всевозможных технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием;

- наличие металлического шпангоута и металлических закладных элементов из высокопрочного алюминиевого сплава обеспечивает надежное соединение стыкуемых конструкций и навесного оборудования с адаптером, а также надежное восприятие эксплуатационных нагрузок (перерезывающих и вырывающих) в местах соединений. Клеемеханический способ установки шпангоута в отличие от склеивания в процессе отверждения связующего позволяет избежать образования внутренних напряжений, межслоевых расслоений в композите из-за разности коэффициентов линейного температурного расширения металла и композиционного материала.

Металлические закладные устанавливаются по средствам клеевого соединения после отверждения полимерного композиционного материала;

- кольцевое ребро располагается перпендикулярно плоскости основания адаптера, повышая тем самым устойчивость конструкции;

- ребра, отличающиеся от кольцевого, располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера, обеспечивая повышенную жесткость конструкции по сравнению с ребрами, расположенными по нормали к конической поверхности.

Как вариант, конструктивно шпангоут может быть выполнен в виде отдельных металлических элементов, ограниченных с внутренней стороны адаптера кольцевым швеллерным профилем из полимерных композиционных материалов, а с боковых сторон косынками из полимерных композиционных материалов, соединяющими полки швеллерного кольца.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата. 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 технического результата и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом работы по разработке конструкции адаптера конического из полимерных композиционных материалов в виде оболочки вращения конической формы с углом при вершине конуса более 85° с повышенной угловой, осевой жесткостью и минимальной массой, без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладает неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

Фиг.1 - Вид на адаптер с стороны шпангоута с указанием основных конструктивных элементов;

Фиг.2 - Вид А (направление взгляда указано на фиг.1), на виде показаны действующие на адаптер усилие и момент сил;

Фиг.3 - Сечение по Б-Б (направление взгляда указано на фиг.1), в сечении показан профиль вертикального участка, соединяющего верхний фланец и оболочку;

Фиг.4 - Разрез по В-В (направление взгляда указано на фиг.1), в разрезе показана площадка на внутренней стороне адаптера, образующаяся при переходе верхнего фланца к оболочке через вертикальный участок;

Фиг.5 - сечение по Г-Г (направление взгляда указано на фиг.1), в сечении показан профиль ребер жесткости;

Фиг.6 - Разрез по Д-Д (направление взгляда указано на фиг.1), в разрезе показана конструкция опорных мест нижнего фланца;

Фиг.7 - Вид А (направление взгляда указано на фиг.1), показан вариант исполнения шпангоута адаптера, когда шпангоут выполняется в виде отдельных металлических элементов;

Фиг.8 - Разрез по В-В (направление взгляда указано на фиг.1), в разрезе показан профиль швеллерного кольца и его расположение в случае исполнения шпангоута в виде отдельных металлических элементов.

Адаптер фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 из полимерных композиционных материалов состоит из оболочки 1 вращения конической формы ограниченной верхним 2 и нижним 3 плоскими кольцевыми фланцами, соединенными между собой ребрами жесткости с тавровым профилем поперечного сечения фиг.5. Ребра жесткости 4 через отбортовку 5 соединяются с оболочкой и располагаются как вдоль образующей, так и под углом к ней таким образом, чтобы соединялись между собой опорные места 6 (показаны условно), фиг.1, верхнего и 9, фиг.6, нижнего фланцев. Кольцевое ребро 7 расположено перпендикулярно плоскости основания адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера. Угол при вершине конуса более 85°. На верхний фланец по средствам клеемеханического способа устанавливается металлический шпангоут 8, фиг.4, из высокопрочного алюминиевого сплава. В отверстия 9 нижнего фланца при помощи клеевого соединения устанавливаются металлические закладные в виде втулок 10, фиг.6, из высокопрочного алюминиевого сплава. Оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку 11, фиг.4, для установки элементов навесного оборудования. Вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца. Вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей, фиг.3, образующиеся при этом выемки необходимы для размещения всевозможных технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием.

Как вариант фиг.7, 8 конструктивно шпангоут может быть выполнен в виде отдельных металлических элементов 12, ограниченных с внутренней стороны адаптера углепластиковым кольцевым швеллерным профилем 13, а с боковых сторон углепластиковыми косынками 14, соединяющими полки швеллерного кольца.

Работает адаптер следующим образом. Момент сил М и сосредоточенные усилия Q передаются на адаптер через двенадцать опорных мест в виде локальных зон 6 (показаны условно). Локальные зоны расположены в опорных местах аппарата, стыкуемого к адаптеру, и в местах расположения элементов системы отделения. Действие момента сил М равновероятно для всех направлений. Плоскость действия момента сил М проходит через ось адаптера и перпендикулярна основанию. Усилия и момент воспринимаются верхним фланцем 2 через клеемеханическое соединение со шпангоутом. На остальные элементы конструкции оболочку 1, ребра 4, в том числе кольцевое ребро 7, усилия и момент передаются через верхний фланец и узлы пересечения 15 и воспринимаются нижним фланцем 3. Благодаря заявленному расположению ребер, профилю ребер, наличию оболочки и предложенному выполнению элементов конструкции действующие напряжения в конструкции распределяются таким образом, что позволяют достичь повышенной угловой и осевой жесткости, устойчивости конструкции при минимальной массе конструкции.

Осуществимость изобретения подтверждена положительными результатами испытаний фрагментов конструкции и расчетами по методу конечных элементов. Разработка и изготовление фрагментов полностью основывалось на представленном описании.

Таким образом, использование изобретения позволит создать адаптер в виде подкрепленной оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов с углом при вершине конуса более 85°, повышенной угловой и осевой жесткостью с минимальной массой и возможностью размещения в верхней части адаптера навесного оборудования и технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием.

Источники информации

1. Патент РФ №2107622, МПК⁶ В32В 3/12 от 27.03.1998 г. - Способ изготовления высокопрочных труб-оболочек из композиционных материалов (варианты).

2. Патент RU №2189907 С2, МПК⁷ В32В 3/12 от 27.09.2002 г. - Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов.

3. Патент RU №2350818 С2, МПК F16L 9/12, В23В 3/12 от 27.03.2009 г. - Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов.

Адаптер в виде оболочки вращения конической формы с углом при вершине более 85 градусов, ограниченной верхним и нижним плоскими кольцевыми фланцами, включает в себя оболочку с установленными на ее поверхности ребрами с тавровым профилем поперечного сечения. Ребра располагаются как вдоль образующей конуса, так и под углом к ней таким образом, чтобы соединялись опорные места верхнего и нижнего фланца. Кольцевое ребро перпендикулярно плоскости основания адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера. На верхний фланец устанавливается при помощи клеемеханического соединения металлический шпангоут из высокопрочного алюминиевого сплава. В отверстия нижнего фланца при помощи клеевого соединения устанавливаются металлические закладные из высокопрочного алюминиевого сплава в виде втулок. Оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку для установки элементов навесного оборудования. Вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца, вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей. Изобретение позволяет снизить массу и повысить жесткость адаптера. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Адаптер из полимерных композиционных материалов в виде оболочки вращения конической формы, ограниченной верхним и нижним плоскими кольцевыми фланцами, отличающийся тем, что угол при вершине конуса составляет более 85°, а адаптер дополнительно включает в себя оболочку с установленными на ее поверхности ребрами с тавровым профилем поперечного сечения, ребра располагаются как вдоль образующей конуса, так и под углом к ней, таким образом, чтобы соединялись опорные места верхнего и нижнего фланца, кольцевое ребро перпендикулярно плоскости основания адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера, на верхний фланец устанавливается при помощи клеемеханического соединения металлический шпангоут из высокопрочного алюминиевого сплава, в отверстия нижнего фланца при помощи клеевого соединения устанавливаются металлические закладные из высокопрочного алюминиевого сплава в виде втулок, оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку для установки элементов навесного оборудования, вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца, вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей.

2. Адаптер по п.1, отличающийся тем, что шпангоут конструктивно выполняется в виде отдельных металлических элементов из высокопрочного алюминиевого сплава, ограниченных с внутренней стороны адаптера кольцевым швеллерным профилем из полимерных композиционных материалов, а с боковых сторон косынками из полимерных композиционных материалов, соединяющими полки швеллерного кольца.