СИЛОВАЯ ОБОЛОЧКА ИЗ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2016 года по МПК F17C1/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях газовых и гидравлических фильтров и аккумуляторов и всех подобных емкостей с использованием оболочек из композиционных материалов, а также в изделиях авиационной и ракетной техники, например, в качестве топливных баков и корпусов ракетных двигателей твердого топлива.

Известна армированная оболочка для внутреннего давления из слоистого композиционного материала, выполненная в виде двух секций с расположенными в торцевых утолщениях штифтами для соединения между собой шпильками (патент РФ 2514980 C1 F17C 1/06, опубл. 10.05.2014).

Известна конструкция корпуса ракетного двигателя твердого топлива из композиционных материалов, содержащая узлы стыковки, выполненные в виде примотанных к оболочке корпуса цилиндрических оболочек с торцевыми утолщениями, в которых расположены штифты для соединения шпильками с ответными частями конструкции (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под. общ. ред. чл. корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил. Стр. 81).

Известные конструкции оболочек из композиционных материалов с узлами штифто-шпилечного соединения (ШШС) имеют общий недостаток, заключающийся в пониженной прочности такого соединения, определяемой структурой используемого композиционного материала. Слоистые композиционные материалы имеют максимальные прочностные характеристики в направлениях расположения армирующего материала и минимальные поперек таких направлений, в том числе и поперек слоев, определяемые характеристиками связующего. Прочностные характеристики связующего в рассматриваемых силовых оболочках в несколько раз меньше характеристик используемого армирующего материала. В оболочках с ШШС по поверхностям контакта штифта с композиционным материалом при растягивающих осевых силах возникает большое контактное давление, при котором сминается КМ и при этом возникают поперечные силы (давление), которые приводят к расслоению (раздиру слоев) КМ в зоне контакта, что приводит к разрушению всего узла соединения. Такой характер разрушения определяется низкой прочностью КМ при межслоевом расслоении (раздире). Повышение прочности за счет введения дополнительных слоев (увеличения толщины) снижает массовую и экономическую эффективность конструкции.

Конструкция корпуса из композиционных материалов из «Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под. общ. ред. чл. корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил. Стр. 81» 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 слоистой оболочки с ШШС с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости цельномотанных оболочек за счет повышения прочности узла соединения с сохранением высоких уровней надежности, технологичности и эксплуатационных качеств.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в силовой оболочке из слоистого композиционного материала на основе однонаправленного и/или тканного армирующего материала и полимерного связующего, содержащей стыковочный торцевой шпангоут, выполненный из слоистого композиционного материала на основе однонаправленного и тканного армирующего материала и полимерного связующего, с расположенными в распределенных по окружности радиальных пазах штифтами с резьбовыми отверстиями под шпильки, согласно изобретению штифты выполнены с соосными цилиндрическими резьбовыми хвостовиками, на которых расположены кольцевые гайки, а радиальные пазы выполнены с соосными углублениями, в которых частично или полностью утоплены гайки, при этом гайки и углубления выполнены с ответными коническими поверхностями, причем в частных случаях выполнения изобретения гайки выполнены с глухими резьбовыми отверстиями под хвостовики штифта.

Отличительными от прототипа признаками заявленной армированной оболочки являются следующие:

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

- штифты выполнены с соосными цилиндрическими резьбовыми хвостовиками, на которых расположены кольцевые гайки;

- а радиальные пазы выполнены с соосными углублениями, в которых частично или полностью утоплены гайки;

- при этом гайки и углубления выполнены с ответными коническими поверхностями;

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- гайки выполнены с глухими резьбовыми отверстиями под хвостовики штифта.

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 неизвестна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

В предлагаемой оболочке, для повышения прочности узла соединения - препятствию расслоений (раздиру слоев) у поверхности силового контакта штифта с пазом, введены гайки, которые первоначально сжимают весь пакет слоев оболочки, не позволяя им расходиться в радиальном направлении. Используемые конические поверхности на гайках и ответные им конические поверхности в углублениях усиливают эффект сжатия слоев при смещениях штифта в направлении действия осевых сил. Площадь поверхности контакта гайки и углубления паза определяется величиной утопания гайки в углублении.

Предложенное решение обеспечивает получение более высоких прочностных характеристик узла соединения, что позволяет использовать более высокие эксплуатационные нагрузки или снизить толщину оболочки (количество слоев), т.е. повысить техническую и/или экономическую эффективность конструкции при сохранении требуемых уровней надежности.

В частном случае исполнения для расширения прочностных и эксплуатационных характеристик гайки выполнены с глухими резьбовыми отверстиями и, соответственно, с сплошной торцевой поверхностью.

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

На фиг. 1 представлена заявленная силовая оболочка, на фиг. 2 - вид стыковочного узла со штифтом и гайками.

Силовая оболочка 1 содержит стыковочный торцевой шпангоут 2 с расположенными в распределенных по окружности радиальных пазах 3 штифтами 4. Стыковочный шпангоут выполнен из слоев 5 композиционного материала. На штифтах 4 выполнены цилиндрические резьбовые хвостовики 6, на которых расположены кольцевые гайки 7, которые контактируют с материалом торцевого шпангоута по коническим поверхностям углублений 8.

Экспериментальная проверка, проводимая на серийном предприятии с промышленным оборудованием, подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях газовых и гидравлических фильтров и аккумуляторов и всех подобных емкостей с использованием оболочек из композиционных материалов, а также в изделиях авиационной и ракетной техники, например, в качестве топливных баков и корпусов ракетных двигателей твердого топлива. Силовая оболочка 1 содержит стыковочный торцевой шпангоут 2 с расположенными в распределенных по окружности радиальных пазах 3 штифтами 4. На штифтах 4 выполнены цилиндрические резьбовые хвостовики 6, на которых расположены кольцевые гайки 7, которые контактируют с слоистым материалом торцевого шпангоута по коническим поверхностям углублений 8. Изобретение позволяет повысить прочность узла соединения и расширить область применения силовых оболочек из слоистых композиционных материалов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовая оболочка из слоистого композиционного материала на основе однонаправленного и/или тканного армирующего материала и полимерного связующего, содержащая стыковочный торцевой шпангоут, выполненный из слоистого композиционного материала на основе однонаправленного и тканного армирующего материала и полимерного связующего, с расположенными в распределенных по окружности радиальных пазах штифтами с резьбовыми отверстиями под шпильки, отличающаяся тем, что штифты выполнены с соосными цилиндрическими резьбовыми хвостовиками, на которых расположены кольцевые гайки, а радиальные пазы выполнены с соосными углублениями, в которых частично или полностью утоплены гайки, при этом гайки и углубления выполнены с ответными коническими поверхностями.

2. Силовая оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что гайки выполнены с глухими резьбовыми отверстиями под хвостовики штифта.