ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях авиационной, ракетной и космической техники.

Оболочки из композиционных материалов с реберно-ячеистой (сетчатой) структурой широко используются в виде корпусных элементов, переходных и соединительных отсеков, внешних защитных оболочек и т.д. Использование реберно-ячеистой структуры позволяет существенно повысить прочностные и жесткостные характеристики оболочки при незначительном увеличении погонной массы.

Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов, образованная из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, кольцевые, продольные и дополнительные ребра (заявка RU 2008144082, 05.11.2008).

Известна сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая множество пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер, и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим (заявка RU 2008119261, 15.05.2008).

Известна труба-оболочка, содержащая силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, с арочной реберно-ячеистой структурой и концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, а в слой пенопласта введена промежуточная обечайка слоистой структуры (заявка RU 96105734, 26.03.1996).

Недостатком оболочек по приведенным заявкам является их узкая функциональная направленность по конструктивному исполнению и, как следствие, невозможность использования в поле широкого спектра внешних усилий и воздействий при сохранении высоких габаритно-массовых характеристик.

Оболочка из композиционных материалов по заявке на изобретение №96105734, 26.03.1996 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка сравнительно простой и наиболее технологичной в изготовлении конструкции оболочки из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости оболочек из композиционных материалов из-за повышения прочности, жесткости и надежности конструкции за счет расположения реберно-ячеистой структуры между двумя обечайками, повышении эксплуатационной и экономической эффективности конструкций оболочки за счет надежного скрепления реберно-ячеистой структуры с торцевыми шпангоутами, соизмеримыми по прочности и массовому совершенству с самой оболочкой, с обеспечением высоких уровней надежности и эксплуатационных качеств конструкции таких оболочек, за счет возможности оформления стыковочных торцев с обеспечением необходимой прочности, герметичности и технологичности соединения.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, с реберно-ячеистой структурой и концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, согласно изобретению пенопластовый слой выполнен в виде отдельных краеугольных частей, мозаично распределенных по поверхности своего расположения с образованием системы пересекающихся, с выходом на шпангоуты, каналов, в которых расположена реберно-ячеистая структура с продолжением на всю ширину шпангоутов в местах их взаимного пересечения, шпангоуты выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры, при этом у реберно-ячеистой структуры высота ребер равна толщине пенопласта, боковые поверхности конгруэнтны противолежащим краевым поверхностям частей пенопласта, нижние и верхние поверхности скреплены с противолежащими поверхностями обечаек, а суммарная толщина h_{p шп} в шпангоуте равна (0,4-0,6)h_{p об}, где h_{p об} - высота реберно-ячеистой структуры вне шпангоута, причем в частных случаях выполнения изобретения, сплошные кольцевые слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде тканого материала с расположением нитей основы по окружности, а нитей утка по образующей, в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе стеклянных волокон, в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе углеродных волокон, в слоях тканого материала в окружном и осевом направлениях расположены нити на основе углеродных волокон, сплошные кольцевые слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде кольцевых жгутов, оплетенных семейством нитей, расположенных по спиральным кривым, группы сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде слоев тканого материала, охваченных и утянутых, по меньшей мере, одним кольцевым слоем на основе жгутов или нитей, в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе стеклянных волокон, в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе углеродных волокон, в слоях тканого материала в окружном и осевом направлениях расположены нити на основе углеродных волокон, реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих продольные и кольцевые ребра, реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные ребра, реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и кольцевые ребра, реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных и продольных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и продольные ребра, реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, продольные и кольцевые ребра, реберно-ячеистая структура выполнена из слоев однонаправленных углеродных нитей, скрепленных полимерным связующим, шпангоут содержит профилированные поверхности и/или полости для размещения опорных узлов и/или крепежных элементов.

Отличительными от прототипа признаками заявленной оболочки являются следующие:

а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:

- пенопластовый слой выполнен в виде отдельных краеугольных частей, мозаично распределенных по поверхности своего расположения с образованием системы пересекающихся, с выходом на шпангоуты, каналов,

- в которых расположена реберно-ячеистая структура с продолжением на всю ширину шпангоутов в местах их взаимного пересечения,

- шпангоуты выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры,

- при этом у реберно-ячеистой структуры высота ребер равна толщине пенопласта,

- боковые поверхности конгруэнтны противолежащим краевым поверхностям частей пенопласта,

- нижние и верхние поверхности скреплены с противолежащими поверхностями обечаек,

- а суммарная толщина h_{p шп} в шпангоуте равна (0,4-0,6)h_{p об}, где h_{p об} - высота реберно-ячеистой структуры вне шпангоута;

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- сплошные кольцевые слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде тканого материала с расположением нитей основы по окружности, а нитей утка по образующей,

- в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе стеклянных волокон,

- в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе углеродных волокон,

- в слоях тканого материала в окружном и осевом направлениях расположены нити на основе углеродных волокон,

- сплошные кольцевые слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде кольцевых жгутов, оплетенных семейством нитей, расположенных по спиральным кривым,

- группы сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде слоев тканого материала, охваченных и утянутых, по меньшей мере, одним кольцевым слоем на основе жгутов или нитей,

- в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе стеклянных волокон,

- в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе углеродных волокон,

- в слоях тканого материала в окружном и осевом направлениях расположены нити на основе углеродных волокон,

- реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих продольные и кольцевые ребра,

- реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные ребра,

- реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и кольцевые ребра,

- реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных и продольных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и продольные ребра,

- реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, продольные и кольцевые ребра,

- реберно-ячеистая структура выполнена из слоев однонаправленных углеродных нитей, скрепленных полимерным связующим,

- шпангоут содержит профилированные поверхности и/или полости для размещения опорных узлов и/или крепежных элементов.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

Оболочка, в отличие от оболочки по прототипу, обладает высокой прочностью и жесткостью, так как расположение реберно-ячеистой структуры между двумя обечайками позволяет получать монолитную конструкцию с надежным скреплением оболочек, оболочка более надежна в части восприятия и передачи внешних усилий от стыкуемых частей общей конструкции, так как реберно-ячеистая структура, эффективно работающая при действии осевых сил, своими торцевыми частями надежно соединена с шпангоутами (в местах взаимного пересечения ребер и шпангоута), монолитная структура которого позволяет обеспечивать надежное перераспределение внешних нагрузок на несущую реберно-ячеистую структуру, оболочка технологична, так как все изготовление (намотка слоев) происходит на одном и том же технологическом оборудовании.

Выполнение ребер с расположением боковых поверхностей конгруэнтно с краевыми поверхностями пенопласта позволяет повысить жесткость реберно-ячеистой структуры, а соединение их с обечайками обеспечивает получение прочной монолитной оболочки.

Расположение слоев реберно-ячеистой структуры между слоями перекрещивающихся высокомодульных нитей шпангоута с общей толщиной равной 0,4-0,6 от их толщины в оболочке, за счет ужатия толщины и, соответственно, увеличения ширины и площади контакта со слоями шпангоута, позволяет получать более надежное соединение и плавное перераспределение усилий от шпангоута к реберно-ячеистой структуре.

В частном случае исполнения, для расширения прочностных, жесткостных и эксплуатационных характеристик оболочки слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей могут быть выполнены из тканого материала с возможным дополнительным утягиванием слоями однонаправленных нитей или жгутов, могут быть выполнены из слоев оплетенных нитями жгутов, реберно-ячеистая структура может состоять из системы спиральных, кольцевых, продольных ребер или комбинаций из них, на/в шпангоуте могут быть выполнены поверхности и/или полости для установки соединительных элементов.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 представлена заявленная оболочка, на фиг.2 - расположение слоев реберно-ячеистой структуры в шпангоуте и вне него.

Оболочка из композиционных материалов содержит наружную 1 и внутреннюю 2 обечайки, с отдельными краеугольными частями пенопласта 3 между ними, с реберно-ячеистой структурой 4 в нем и концевыми шпангоутами 5.

Реберно-ячеистая структура 4 состоит из кольцевых 6, продольных 7 и спиральных 8 систем ребер, образующих замкнутые ячейки по конфигурации краеугольных частей пенопласта 3.

Шпангоуты 5 выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей в виде слоев тканого материала 9, охваченных и утянутых, по меньшей мере, одним кольцевым слоем на основе жгутов или нитей 10, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры 11.

Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.

Оболочка из композиционных материалов предназначена для использования в конструкциях авиационной, ракетной и космической техники. Между двумя обечайками 1 и 2 оболочки слой пенопласта выполнен в виде краеугольных частей 3 с образованием пересекающихся каналов, в которых расположена реберно-ячеистая структура 4, выходящая на краевые шпангоуты 5. Шпангоуты выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев 9, 10 перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры 11, причем толщина последних в шпангоуте составляет (0,4-0,6) от ее толщины вне шпангоута. Кольцевые слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей могут быть выполнены на основе тканых или оплетенных материалов, состоящих из стеклянных, органических или углеродных нитей или их комбинаций. Технический результат - повышение прочности оболочки. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, с реберно-ячеистой структурой и концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, отличающаяся тем, что пенопластовый слой выполнен в виде отдельных краеугольных частей, мозаично распределенных по поверхности своего расположения с образованием системы пересекающихся, с выходом на шпангоуты, каналов, в которых расположена реберно-ячеистая структура с продолжением на всю ширину шпангоутов в местах их взаимного пересечения, шпангоуты выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры, при этом у реберно-ячеистой структуры высота ребер равна толщине пенопласта, боковые поверхности конгруэнтны противолежащим краевым поверхностям частей пенопласта, нижние и верхние поверхности скреплены с противолежащими поверхностями обечаек, а суммарная толщина h_{p шп} в шпангоуте равна (0,4-0,6) h_{p об}, где h_{p об} - высота реберно-ячеистой структуры вне шпангоута.

2. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что сплошные кольцевые слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде тканого материала с расположением нитей основы по окружности, а нитей утка по образующей.

3. Оболочка по п.2, отличающаяся тем, что в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе стеклянных волокон.

4. Оболочка по п.2, отличающаяся тем, что в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе углеродных волокон.

5. Оболочка по п.2, отличающаяся тем, что в слоях тканого материала в окружном и осевом направлениях расположены нити на основе углеродных волокон.

6. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что сплошные кольцевые слои перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде кольцевых жгутов, оплетенных семейством нитей, расположенных по спиральным кривым.

7. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что группы сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей выполнены в виде слоев тканого материала, охваченных и утянутых, по меньшей мере, одним кольцевым слоем на основе жгутов или нитей.

8. Оболочка по п.6, отличающаяся тем, что в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе стеклянных волокон.

9. Оболочка по п.6, отличающаяся тем, что в слоях тканого материала в окружном направлении расположены нити на основе органических волокон, а в осевом направлении нити на основе углеродных волокон.

10. Оболочка по п.6, отличающаяся тем, что в слоях тканого материала в окружном и осевом направлениях расположены нити на основе углеродных волокон.

11. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих продольные и кольцевые ребра.

12. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные ребра.

13. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и кольцевые ребра.

14. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных и продольных лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные и продольные ребра.

15. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что реберно-ячеистая структура выполнена из слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, продольные и кольцевые ребра.

16. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что реберно-ячеистая структура выполнена из слоев однонаправленных углеродных нитей, скрепленных полимерным связующим.

17. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что шпангоут содержит профилированные поверхности и/или полости для размещения опорных узлов и/или крепежных элементов.