КОМПОЗИТНОЕ СОЕДИНЕНИЕ Российский патент 2018 года по МПК B64D37/02 F17C13/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к соединению компонентов, а в частности, к соединению композитных компонентов. Еще конкретнее, настоящее изобретение относится к закреплению крышки поверх отверстия в композитной стенке с образованием соединения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Повышенный вес транспортных средств уменьшает эффективность использования ими топлива. Дополнительный вес такого транспортного средства, как космический летательный аппарат или воздушный летательный аппарат, заменяет потенциально полезную нагрузку, такую как пассажиры, оборудование или иной груз.

Накопительные резервуары, связанные с транспортными средствами, могут содержать емкости, такие как криогенные емкости. В криогенных емкостях, находящихся на борту транспортных средств, хранят криогенные жидкости, такие как топливо. Уменьшение размера и/или веса криогенных емкостей, используемых на транспортных средствах, может быть необходимо для увеличения полезной нагрузки этих транспортных средств.

Соединения в накопительных резервуарах имеют ряд путей утечки. Пути утечки могут привести к вытеканию хранящегося газа или жидкости из накопительных резервуаров. В итоге, необходимо уменьшить количество путей утечки в накопительном резервуаре, таком как криогенная емкость. Таким образом, необходимо создать способ и устройство, которые решают по меньшей мере некоторые из вышеописанных проблем, а также некоторые иные проблемы.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из иллюстративных вариантов реализации предложена композитная емкость. Композитная емкость содержит криволинейную стенку, множество срезных соединителей и множество болтов. Криволинейная стенка имеет отверстие. Множество срезных соединителей ввинчивают в множество глухих отверстий в криволинейной стенке вокруг отверстия.

С множеством срезных соединителей взаимодействует множество болтов, соединяющих крышку с криволинейной стенкой.

Еще в одном иллюстративном варианте реализации предложено композитное соединение. Композитное соединение содержит композитную стенку, полярную крышку, множество срезных соединителей и множество болтов. Композитная стенка имеет полярное отверстие. Множество срезных соединителей ввинчивают в кромку полярного отверстия. Множество болтов проходят через полярную крышку и взаимодействуют с множеством срезных соединителей.

Еще в одном иллюстративном варианте реализации предложен способ. Множество срезных соединителей ввинчивают в множество глухих отверстий вокруг отверстия в композитной стенке. Крышку размещают поверх указанного отверстия в композитной стенке. Крышку закрепляют поверх указанного отверстия в композитной стенке с образованием соединения.

Признаки и функции могут быть достигнуты независимо друг от друга в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть объединены друг с другом еще в одних вариантах реализации, дополнительные сведения о которых можно найти по ссылке на приведенные далее описание и чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В прилагаемой формуле изобретения заданы новые признаки, считаемые отличительными для иллюстративных вариантов реализации. Однако, иллюстративные варианты реализации, предпочтительный режим использования, а также их дополнительные задачи и признаки, будут наилучшим образом поняты по ссылке на приведенное далее подробное описание одного из иллюстративных вариантов реализации настоящего изобретения после его прочтения в сочетании с прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 показана структурная схема производственной среды в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

На фиг. 2 показан разобранный вид части композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

На фиг. 3 показан вид спереди в разрезе части композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

На фиг. 4 показан изометрический вид в разрезе части композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

На фиг. 5 показан изометрический вид в разрезе композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

На фиг. 6 показан изометрический вид в разрезе композитной емкости с множеством композитных соединений в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

На фиг. 7 показан изометрический вид композитной емкости с множеством композитных соединений в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

На фиг. 8 показана блок-схема способа образования композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Другие иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают один или более различных факторов. Например, иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают, что композитные материалы используют в летательном аппарате для уменьшения веса этого летательного аппарата. Этот уменьшенный вес улучшает технические параметры, такие как полезная грузоподъемность и эффективность использования топлива. Кроме того, композитные материалы обеспечивают более длительный срок службы различных компонентов в летательном аппарате.

Другие иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают, что композитные материалы представляют собой жесткие легкие материалы, созданные путем объединения двух или более функциональных компонентов. Например, композитный материал может содержать армирующие волокна, связанные матрицей из полимерной смолы. Волокна могут быть однонаправленными или могут иметь форму тканой материи или ткани. Волокна и смола располагают и отверждают таким образом, что они образуют композитный материал.

Таким образом, другие иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают, что может быть необходимо образовать композитную криогенную емкость. Кроме того, другие иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают, что может быть необходимо уменьшить вес и/или количество путей утечки композитной криогенной емкости. Несмотря на то, что другие иллюстративные варианты реализации описаны в отношении криогенных емкостей, композитное соединение может быть использовано для композитной емкости любого необходимого типа.

Другие иллюстративные варианты реализации дополнительно показывают и учитывают, что обычная емкость может содержать срезные штифты, проходящие через отверстия в корпусе емкости. Другие иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают, что каждый из этих срезных штифтов, проходящий через соответствующее отверстие в корпусе емкости, создает путь утечки.

Другие иллюстративные варианты реализации также показывают и учитывают, что композитные материалы могут разрушаться из-за процесса, называемого отслаиванием. Отслаивание представляет собой отделение слоев композитного материала. Отслаивание может быть вызвано нагрузкой, прикладываемой к композитному материалу.

Другие иллюстративные варианты реализации дополнительно показывают и учитывают, что специалисты по композитам осведомлены об относительно низкой прочности композитных слоев по их толщине. Кроме того, обычный специалист по композитам обычно не имеет опыта по части резьбовых крепежных элементов в композитном материале. Резьбовые крепежные элементы в композитных материалах не являются ни типичными, ни крепежными элементами промышленного стандарта. Соответственно, специалист по композитам может ожидать, что резьбовой крепежный элемент создаст отслаивание в композитном материале при небольшой нагрузке. Таким образом, другие иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают, что от резьбового крепежного элемента в композитном материале обычно не ожидают способности уверенно выдерживать значительную нагрузку.

Другие иллюстративные варианты реализации также показывают и учитывают, что крепежи имеют общеотраслевые технические характеристики. Крупность представляет собой техническую маркировку крепежей. В пределах серий резьб, резьбы с мелким шагом, стандартные резьбы или резьбы с большим шагом или варианты с другой конфигурацией могут предлагаться как потенциально полезные варианты. Крепежный элемент с большим шагом может быть обозначен символом «С» в названии серии. Крепежный элемент с малым шагом может быть обозначен символом «F» в названии серии. Крупная резьба будет иметь меньше витков резьбы на дюйм (2,54 см) по сравнению со стандартной резьбой. Для заданного диаметра резьбы толщина резьбы в ее основании будет больше для крупной резьбы, чем для стандартной резьбы. Другие иллюстративные варианты реализации показывают и учитывают, что повышенная глубина резьбы может сделать соединение в мягких материалах, таких как магний или композиты, более прочным.

На чертежах, в частности на фиг. 1, показана структурная схема производственной среды в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. Производственная среда 100 представляет собой среду, в которой осуществляют производственные процессы для создания композитной емкости 102. В частности, в производственной среде 100 образовано композитное соединение 104 композитной емкости 102.

В композитном соединении 104 усилия сдвига больше растягивающих усилий. Композитное соединение 104 может называться соединением с преобладанием усилий сдвига.

Несмотря на то, что композитное соединение 104 показано как часть композитной емкости 102, в некоторых иллюстративных примерах это композитное соединение 104 может представлять собой часть иной конструкции. Композитное соединение 104 может быть размещено в любой подходящей конструкции в качестве композитного соединения с преобладанием усилий сдвига. Например, композитное соединение 104 может представлять собой часть платформы любого подходящего типа, например стационарной платформы или мобильной платформы. Платформа может иметь форму купола, крыши, транспортного средства, здания или платформы любого иного подходящего типа.

Как показано, композитная емкость 102 содержит композитное соединение 104, соединяющее композитный корпус 106 и крышку 108. Поверхность 109 раздела между композитным корпусом 106 и крышкой 108 выполнена по существу плоской. Композитный корпус 106 выполнен из композитного материала 110, содержащего волокна 112. Как показано, композитный корпус 106 имеет ось 114. Ось 114 представляет собой ось поворота композитного корпуса 106. Два местоположения композитного корпуса 106, которые контактируют с осью 114, могут называться «полюсами» этого композитного корпуса 106. Компоненты, связанные с «полюсами» композитного корпуса 106, могут называться полярными компонентами. Например, когда крышка 108 связана с «полюсом» композитного корпуса 106, эта крышка 108 может называться полярной крышкой 115.

Композитный корпус 106 образован композитной стенкой 116. В некоторых иллюстративных примерах композитная стенка 116 выполнена криволинейной и может называться криволинейной стенкой 118. Криволинейная стенка 118 может иметь любую необходимую кривизну. Например, криволинейная стенка 118 может иметь постоянную кривизну или переменную кривизну.

Композитная стенка 116 имеет отверстие 120. Когда отверстие 120 расположено на одном из «полюсов» композитного корпуса 106, как указано осью 114, отверстие 120 называется полярным отверстием 122. Отверстие 120 может иметь любой необходимый размер или любую необходимую форму. В некоторых иллюстративных примерах отверстие 120 выполнено по существу круглым.

Множество глухих отверстий 124 расположено в кромке 126 отверстия 120. Множество глухих отверстий 124 выполнено в композитной стенке 116 вокруг отверстия 120. Множество глухих отверстий 124 имеет любые подходящие размер и форму. В некоторых иллюстративных примерах множество глухих отверстий 124 имеют плоское дно. В некоторых иллюстративных примерах множество глухих отверстий 124 имеют резьбы 128. Когда множество глухих отверстий 124 имеют резьбы 128, эти глухие отверстия 124 могут называться «резьбовыми» отверстиями.

Центральные оси множества глухих отверстий 124 по существу параллельны друг другу. Если центральные оси множества глухих отверстий 124 не проходят по существу параллельно друг другу, то крышка 108 не будет надлежащим образом посажена на композитный корпус 106. Кроме того, центральные оси множества глухих отверстий 124 проходят по существу перпендикулярно плоскости поверхности 109 раздела между крышкой 108 и композитной стенкой 116.

Для соединения крышки 108 с композитной стенкой 116 в множество глухих отверстий 124 ввинчивают множество срезных соединителей 130. Множество срезных соединителей 130 имеют резьбы 132. Резьбы 132 могут быть описаны как крупные резьбы больше обычного размера. Крупность резьбы на компоненте выбирают на основании мягкости материала, принимающего резьбовой компонент. Крупность резьб 132 выбирают на основании композитного материала 110.

Множество срезных соединителей 130 могут быть выполнены жесткими. Для экономии веса множество срезных соединителей 130 могут иметь полую внутреннюю часть. В этих иллюстративных примерах срезные соединители 130 могут называться полыми срезными соединителями 133.

Каждый из множества срезных соединителей 130 содержит поверхность 134 и элемент 136 затягивания. Поверхность 134 имеет диаметр 138. На нагрузку, которую композитное соединение 104 может выдерживать, влияет размер поверхности 134 множества срезных соединителей 130. Путем регулировки размера поверхности 134 изменяется прочность соединения. Размер поверхности 134 изменяется путем изменения высоты поверхности 134 и/или ее диаметра 138. Прочность соединения обеспечивают путем регулировки диаметра 138, однако диаметр 138 обычно вызывает утолщение крышки 108, что также увеличивает вес. Рабочая нагрузка уменьшается по направлению от плоскости сдвига. В итоге, меньший диаметр 138 и большая высота дают меньшую эффективность по весу по сравнению с большим диаметром 138 и меньшей высотой.

На диаметр 138 влияет рабочая нагрузочная способность материала композитного корпуса 106 и крышки 108. На прочность соединения влияет рабочая нагрузочная способность материала композитного корпуса 106 и крышки 108. Когда рабочая нагрузочная способность меньше, размеры поверхности 134 могут быть увеличены для увеличения прочности соединения.

Поверхность 134 выполнена с возможностью контакта с внутренней поверхностью соответствующего отверстия из множества отверстий 140 в крышке 108. Поверхность 134 представляет собой поверхность для передачи усилия сдвига композитного соединения 104. В некоторых иллюстративных примерах поверхность 134 выполнена цилиндрической.

Элемент 136 затягивания обеспечивает возможность ввинчивания каждого срезного соединителя из множества срезных соединителей 130 в множество глухих отверстий 124 в композитной стенке 116. Элемент 136 затягивания имеет любую необходимую форму. В некоторых иллюстративных примерах элемент 136 затягивания представляет собой шестиугольный элемент, расположенный за пределами поверхности 134 в осевом направлении. Иные иллюстративные примеры элемента 136 затягивания имеют другие плоские геометрические особенности для заворачивания гаечным ключом, например две плоские поверхности на цилиндрическом выступе, шлиц под отвертку большого размера и отверстия для штифта, которые могут быть введены во взаимодействие со штифтовым гаечным ключом, или средства любого другого необходимого типа.

Адгезив 142 может быть нанесен по меньшей мере на одно из множества глухих отверстий 124 или множества срезных соединителей 130. Как использовано в настоящем документе, фраза «по меньшей мере один из», при ее использовании с перечнем объектов, означает, что могут быть использованы различные сочетания из одного или более перечисленных объектов, и только один из каждого объекта в перечне может быть необходим. Другими словами, фраза «по меньшей мере один из» означает любое сочетание объектов, при этом из перечня может быть использовано любое количество объектов, но не все из этих объектов в перечне являются необходимыми. Объект может представлять собой конкретный предмет, вещь или категорию.

Например, «по меньшей мере один из объекта А, объекта В или объекта С» могут содержать, без ограничения, объект А, объект А и объект В или объект В. Этот пример также может содержать объект А, объект В и объект С или объект В и объект С. Безусловно, могут быть представлены любые сочетания из этих объектов. В иных примерах фраза «по меньшей мере один из» может означать, например, без ограничения, два объекта А, один объект В и десять объектов С, четыре объекта В и семь объектов С или другие подходящие сочетания.

Адгезив 142 может предотвратить удаление множества срезных соединителей 130 из множества глухих отверстий 124 при вибрации. Адгезив 142 может быть нанесен с использованием любого подходящего способа. В некоторых иллюстративных примерах адгезив 142 нанесен путем намазывания по меньшей мере на одну из резьб 128 или резьб 132. Когда адгезив 142 нанесен на резьбы 128 и резьбы 132, улучшается связь между множеством срезных соединителей 130 и композитной стенкой 116. Адгезив 142 представляет собой адгезив любого необходимого типа. В некоторых иллюстративных примерах адгезив 142 может представлять собой эпоксидный адгезив.

Для соединения крышки 108 с композитной стенкой 116, множество болтов 144 прикреплены к множеству срезных соединителей 130. Множество болтов 144 проходят через множество отверстий 140 и ввинчены в множество срезных соединителей 130.

Множество болтов 144 также проходят через множество шайб 146. Множество шайб 146 расположены между головками множества болтов 144 и крышкой 108. Как показано, множество шайб 146 содержат по меньшей мере одно из шайбы 148, тарельчатых шайб 150 или соединительных шайб 152. Тарельчатые шайбы 150 могут быть использованы для поддержания напряжения между крышкой 108 и композитной стенкой 116. В частности, тарельчатые шайбы 150 могут поддерживать напряжение во время температурных изменений.

Для предотвращения или уменьшения протечки через композитное соединение 104 между крышкой 108 и композитной стенкой 116 расположены уплотнения 154. Для выполнения своей функции уплотнения 154 обязательно должны находиться под давлением. Таким образом, уплотнения 154 зажаты для предотвращения утечек из композитного соединения 104. Соединительные шайбы 152 обеспечивают зажатие уплотнений 154. Соединительные шайбы 152 контактируют с поверхностью крышки 108, противолежащей поверхности 109 раздела. Кроме того, соединительные шайбы 152 имеют выступы 156, имеющие диаметр 158.

Диаметр 158 и диаметр 138 по существу одинаковы. Как соответствующий выступ из выступов 156, так и поверхность 134 контактируют с внутренней поверхностью соответствующего отверстия из множества отверстий 140, проходящих через крышку 108.

На размер соединительных шайб 152 влияет размер отверстия 120. По мере увеличения размера отверстия 120 также увеличивается и размер соединительных шайб 152. Увеличение размера соединительных шайб 152 также увеличивает вес соединительных шайб 152. Для уменьшения веса соединительных шайб 152, эти соединительные шайбы 152 могут быть выполнены из керамического матричного композита (CMC) или монолитной керамики, а не металла. Кроме того, коэффициент теплового расширения материала, образующего соединительные шайбы 152, предпочтительно близок к коэффициенту теплового расширения композитного материала 110. Разница в коэффициенте теплового расширения (СТЕ) между композитным материалом 110 и керамическим матричным композитом (CMC) или монолитной керамикой меньше разницы в коэффициенте теплового расширения (СТЕ) между композитным материалом 110 и алюминием. Наличие пониженной разницы в коэффициенте теплового расширения между композитной стенкой 116 и соединительными шайбами 152 необходимо для сохранения стабильных геометрических размеров композитного соединения 104, поскольку такое композитное соединение 104 подвержено воздействию температурных изменений.

Нагрузка на растяжение через композитное соединение 104 является очень маленькой по сравнению нагрузкой на сдвиг. Натяжное соединение образовано с использованием множества болтов 144.

Обычно считается, что монолитная керамика имеет ограниченное использование по причине относительно низкой прочности на растяжение. Прочность на растяжение монолитных керамик составляет долю от их прочности на сжатие. Однако, использование соединительных шайб 152 изначально имеет сжимающее применение.

Как показано, композитная емкость 102 содержит криволинейную стенку 118, имеющую отверстие 120, множество срезных соединителей 130, ввинчиваемых в множество глухих отверстий 124 в криволинейной стенке 118 вокруг отверстия 120 и множество болтов 144, взаимодействующих с указанным множеством срезных соединителей 130 и соединяющих крышку 108 с криволинейной стенкой 118 с образованием композитного соединения 104 между указанными крышкой 108 и криволинейной стенкой 118. Множество болтов 144 проходят через множество отверстий 140 в крышке 108. Внутренняя поверхность каждого из множества отверстий 140 взаимодействует с лицевой стороной соответствующего срезного соединителя из множества срезных соединителей 130. Эта лицевая сторона представляет собой поверхность 134.

Композитная емкость 102 дополнительно содержит множество шайб 146, через которые проходят множество болтов 144, причем внутренняя поверхность каждого из множества отверстий 140 взаимодействует с лицевой стороной соответствующей шайбы из указанного множества шайб 146. Эта лицевая сторона представляет собой по меньшей мере часть соответствующего выступа из выступов 156.

В некоторых иллюстративных примерах каждая из множества шайб 146 представляет собой керамический матричный композитный материал или монолитную керамику. В этих иллюстративных примерах множество шайб 146 представляют собой соединительные шайбы 152. Это не препятствует использованию дополнительных шайб, таких как шайбы 148 или тарельчатые шайбы 150.

Изображения композитного соединения 104 и композитной емкости 102, показанные на фиг. 1, не направлены на введение физических или конструктивных ограничений способом, которым может быть реализован один из иллюстративных вариантов реализации. В дополнение к показанным компонентам или вместо них могут быть использованы и иные компоненты. Некоторые компоненты могут быть необязательными. Кроме того, блоки представлены для иллюстрации некоторых функциональных компонентов. Один или более из этих блоков могут быть объединены и/или разделены на различные блоки при реализации в одном из иллюстративных вариантов реализации.

Например, в композитной емкости 102 могут иметься шайбы любого необходимого размера или в любом количестве. Кроме того, в композитной емкости 102 может также иметься второе полярное соединение.

На фиг. 2 показан разобранный вид части композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. Композитное соединение 200 представляет собой физическую реализацию композитного соединения 104, показанного на фиг. 1.

Композитное соединение 200 соединяет крышку 202 с композитной стенкой 204, имеющей отверстие 206. Композитное соединение 200 содержит композитную стенку 204, имеющую отверстие 206, крышку 202, срезной соединитель 208 и болт 210. Срезной соединитель 208 представляет собой одну из физических реализаций срезного соединителя из множества срезных соединителей 130, показанных на фиг. 1.

Для соединения крышки 202 с композитной стенкой 204 срезной соединитель 208 ввинчивают в кромку 212 отверстия 206. В частности, срезной соединитель 208 ввинчивают в глухое отверстие 214 в композитной стенке 204. Как показано, срезной соединитель 208 имеет резьбы для взаимодействия с композитной стенкой 204. Резьбы срезного соединителя 208 могут быть описаны как резьбы больше обычного размера с крупным шагом. Крупность резьбы на компоненте выбирают на основании мягкости материала, принимающего резьбовой компонент. Кроме того, как показано, глухое отверстие 214 имеет резьбу.

Болт 210 проходит через отверстие 216 в крышке 202. Отверстие 216 прецизионно обрабатывают таким образом, что стенки отверстия 216 взаимодействуют со срезным соединителем 208, когда крышка 202 закреплена поверх отверстия 206 в композитной стенке 204. Болт 210 взаимодействует со срезным соединителем 208 и соединяет крышку 202 с композитной стенкой 204 с образованием композитного соединения 200 между крышкой 202 и композитной стенкой 204.

Множество шайб 218 расположены между головкой болта 210 и крышкой 202. Как показано, множество шайб 218 содержит шайбу 220, тарельчатую шайбу 222 и соединительные шайбы 224. Тарельчатая шайба 222 предназначена для поддержания напряжения в конструкции. В частности, тарельчатая шайба 222 поддерживает напряжение во время температурных изменений.

Соединительная шайба 224 существенно больше обычных соединительных шайб. Соединительная шайба 224 может называться шайбой больше обычного размера. При увеличении размера соединительной шайбы 224 ее вес также обычно увеличивается в обычных материалах, таких как металлы. Соединительная шайба 224 может быть выполнена из любого подходящего материала. Материал соединительной шайбы 224 может быть выбран на основании по меньшей мере одного из следующих параметров: плотность, прочность на сжатие, коэффициент теплового расширения или любая другая подходящая характеристика. В некоторых иллюстративных примерах соединительная шайба 224 выполнена из керамического матричного композита (CMC) или монолитной керамики. Соединительная шайба 224, после ее сборки, поддерживает крепление на кромках уплотнений 226.

Уплотнения 226 уменьшают или предотвращают протечку из композитной емкости. Для предотвращения протечки уплотнения 226 прижимают к композитной стенке 204 за счет прижимного усилия, обеспеченного множеством шайб 218 и болтом 210, взаимодействующим со срезным соединителем 208.

Вид 228 композитного соединения 200 иллюстрирует одиночную соединительную конструкцию. В некоторых иллюстративных примерах композитное соединение 200 содержит множество соединительных конструкций. В этих иллюстративных примерах срезной соединитель 208 является одним из множества срезных соединителей, ввинченных в кромку 212 отверстия 206. Множество срезных соединителей ввинчивают в множество глухих отверстий в композитной стенке 204 вокруг отверстия 206. Болт 210 является одним из множества болтов, проходящих через крышку 202 и взаимодействующих с множеством срезных соединителей. Множество болтов, взаимодействующих с множеством срезных соединителей, соединяет крышку 202 с композитной стенкой 204 с образованием композитного соединения 200 между крышкой 202 и композитной стенкой 204.

На фиг. 3 показан вид спереди в разрезе части композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. Вид 300 представляет собой вид спереди в разрезе композитного соединения 200, показанного на фиг. 2. В частности, вид 300 представляет собой вид композитного соединения 200, показанного на фиг. 2 с направления 3-3.

Как показано, внутренняя поверхность 301 отверстия 216, проходящего через крышку 202, взаимодействует с поверхностью 302 срезного соединителя 208. Кроме того, внутренняя поверхность 301 отверстия 216 взаимодействует с выступом 304 соединительной шайбы 224. В итоге, диаметр 306 срезного соединителя 208 и диаметр 308 соединительной шайбы 224 по существу равны друг другу. Срезание осуществляется через это соединение срезного соединителя 208 и крышки 202.

Соединительная шайба 224 сжимает уплотнения 226 между крышкой 202 и композитной стенкой 204 для предотвращения утечек на поверхности 310 раздела. Как показано, поверхность 310 раздела выполнена по существу плоской. Для крышки 202 для взаимодействия с композитной стенкой 204 и образования с ней композитного соединения 200, поверхность 310 раздела выполнена по существу плоской и расположена перпендикулярно центральной оси срезного соединителя 208.

На фиг. 4 показан изометрический вид в разрезе части композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. Вид 400 представляет собой изометрический вид в разрезе композитного соединения 200, показанного на фиг. 2. Вид 400 представляет собой собранный вид композитного соединения 200 от направления, показанного на фиг. 2. Как можно увидеть на виде 400, в этом иллюстративном примере элемент 402 затягивания представляет собой шестиугольный элемент.

На фиг. 5 показан изометрический вид в разрезе композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. В некоторых иллюстративных примерах композитное соединение 200, показанное на фиг. 2, представляет собой часть композитного соединения 500, показанного на фиг. 5. Например, композитное соединение 200, показанное на фиг. 2, продемонстрировано в квадрате 2-2, показанном на фиг. 5.

Композитное соединение 500 содержит композитную стенку 502, имеющую полярное отверстие 504, полярную крышку 506, множество срезных соединителей 508, ввинчиваемых в кромку 510 полярного отверстия 504, и множество болтов 512, проходящих через полярную крышку 506 и взаимодействующих с указанным множеством срезных соединителей 508. В этом иллюстративном примере множество срезных соединителей 508 ввинчивают в множество глухих отверстий 514 в композитной стенке 502. Между резьбами множества срезных соединителей 508 и композитной стенкой 502 имеется адгезив. Адгезив нанесен по меньшей мере на одно из резьб множества срезных соединителей 508 или стенки множества глухих отверстий 514.

Композитное соединение 500 дополнительно содержит множество шайб, взаимодействующих с множеством болтов 512 и полярной крышкой 506. В одном из иллюстративных примеров множество шайб имеют форму множества соединительных шайб. В этом примере каждая из множества шайб содержит выступ, контактирующий с соответствующим отверстием полярной крышки 506. Кроме того, каждый из множества срезных соединителей 508 имеет поверхность, контактирующую с соответствующим отверстием полярной крышки 506 таким образом, что диаметр поверхности и диаметр выступа по существу равны друг другу.

На фиг. 6 показан изометрический вид в разрезе композитной емкости с множеством композитных соединений в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. Композитная емкость 600 может представлять собой физическую реализацию композитной емкости 102, показанной на фиг. 1. Композитное соединение 200, показанное на фиг. 2, может быть использовано в композитной емкости 600. Композитное соединение 500, показанное на фиг. 5, может представлять собой часть композитной емкости 600. Например, композитное соединение 500 может быть показано в блоке 5-5 на фиг. 6.

Композитная емкость 600 имеет ось 601, композитный корпус 602, полярную крышку 604 и полярную крышку 606. Полярная крышка 604 соединена с криволинейной стенкой 608 композитного корпуса 602 с использованием композитного соединения, такого как композитное соединение 104, показанное на фиг. 1. Полярная крышка 606 соединена с криволинейной стенкой 610 композитного корпуса 602 с использованием композитного соединения, такого как композитное соединение 104, показанное на фиг. 1. В некоторых иллюстративных примерах компоненты композитного соединения для полярной крышки 604 и композитное соединение для полярной крышки 606 по существу являются одинаковыми.

На фиг. 7 показан изометрический вид композитной емкости с множеством композитных соединений в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. Вид 700 может представлять собой изометрический вид композитной емкости 600, показанной на фиг. 6. Как показано, полярная крышка 604 выполнена по существу круглой.

Другие компоненты, показанные на фиг. 2-7 могут быть объединены с компонентами, показанными на фиг. 1, использованы с компонентами, показанными на фиг. 1, или и объединены, и использованы с этими компонентами. Кроме того, некоторые из компонентов, показанных на фиг. 2-7, могут представлять собой иллюстративные примеры того как компоненты, показанные в блочной форме на фиг. 1, могут быть реализованы в виде физических конструкций.

На фиг. 8 показана блок-схема способа образования композитного соединения в соответствии с одним из иллюстративных вариантов реализации. Композитное соединение, такое как композитное соединение 104, показанное на фиг. 1, композитное соединение 200, показанное на фиг. 2, или композитное соединение 500, показанное на фиг. 5, может быть создано с использованием процесса 800.

Согласно процессу 800 ввинчивают множество срезных соединителей в множество глухих отверстий вокруг отверстия в композитной стенке (операция 802). Согласно процессу 800 размещают крышку поверх отверсти в композитной стенке (операция 804). Согласно процессу 800 закрепляют крышку поверх указанного отверстия в композитной стенке, с образованием соединения (операция 806). После этого процесс завершают. В некоторых иллюстративных примерах закрепление крышки поверх отверстия в композитной стенке включает вставку множества болтов через крышку и ввинчивание указанного множества болтов в множество срезных соединителей.

В других показанных вариантах реализации блок-схемы и структурные схемы иллюстрируют построение, функциональные возможности и работу некоторых возможных реализаций устройства и способов в одном из иллюстративных вариантов реализации. Таким образом, каждый блок на блок-схемах или структурных схемах может представлять модуль, сегмент, функцию и/или часть операции или этапа.

В некоторых альтернативных реализациях иллюстративного варианта реализации функция или функции, указанные в блоках, могут выполняться в порядке, отличном от порядка, показанного на чертежах. Например, в некоторых случаях два блока, показанных последовательно, могут быть выполнены по существу одновременно или эти блоки иногда могут выполняться в обратном порядке в зависимости от предусмотренных функциональных возможностей. Кроме того, в дополнение к блокам, показанным в блок-схеме или структурной схеме, могут быть добавлены и другие блоки.

Например, процесс 800 может дополнительно включать нанесение адгезива по меньшей мере на одно из множества срезных соединителей или множества глухих отверстий перед ввинчиванием указанного множества срезных соединителей в множество глухих отверстий. В некоторых примерах процесс 800 дополнительно включает высверливание множества глухих отверстий вокруг отверстия в композитной стенке. В некоторых примерах процесс 800 дополнительно включает осуществление прецизионной обработки множества отверстий через крышку таким образом, что стенки указанного множества отверстий взаимодействуют с множеством срезных соединителей, когда крышка закреплена поверх указанного отверстия в композитной стенке.

В иллюстративных вариантах реализации предложены способ и устройство для соединения полярной крышки и композитной стенки. Множество срезных соединителей ввинчивают в множество глухих отверстий. Установка в глухое отверстие предотвращает прохождение в стенки емкости у крепежных элементов для полярного соединения. Установка резьб для взаимодействия со срезным соединителем, смоченным эпоксидным адгезивом, может предотвратить поворот срезного соединителя в вибрационной среде при полете космического летательного аппарата или воздушного летательного аппарата.

Полый срезной соединитель большого диаметра легче такого же цельного срезного штифта с тем, чтобы удовлетворять требованиям к сопротивлению при выводе из резьбы и удовлетворять требованиям к несущей способности. Большой диаметр взаимодействия также удовлетворяет требованиям к сопротивлению при выводе и несущей способности, которым должны соответствовать композитный полярный выступ и покрытие, являющиеся более тонкими и более легкими по сравнению с теми, которые используют для выдерживания тех же самых нагрузок через цельный срезной штифт.

Элементы для заворачивания гаечным ключом выполнены на защитной стороне срезного соединителя для облегчения ввинчивания этого срезного соединителя в стенку композитной емкости. Путем объединения плоских поверхностей срезного соединителя для заворачивания гаечным ключом с резьбами для обеспечения взаимодействия натяжного болта в выступе соединителя внутри углубления или покрытия, улучшенный соединительный натяжной болт может быть выполнен с меньшим диаметром, а также коротким, что обеспечивает необходимую жесткость для зажатия смежных уплотнений с меньшим весом по сравнению с тем, который необходим для конструкции с более сильной сжимающей нагрузкой.

Соединительная конструкция содержит отверстия большего диаметра в углублении или покрытии по сравнению с обычной соединительной конструкцией. В итоге, под головкой натяжного болта используют более толстую соединительную шайбу с большим диаметром для распределения прижимного усилия поверх сальника. Воздействие веса большей шайбы может быть уменьшено путем использования преимуществ простых путей передачи сжимающей нагрузки в шайбе для использования для шайб низкого коэффициента теплового расширения (СТЕ), низкой плотности, материала из монолитной керамики или керамического матричного композита (CMC). Некоторые примеры материалов для соединительной шайбы включают, без ограничения, алюминий, углерод/карбид кремния или карбид кремния/окись алюминия. Низкий коэффициент теплового расширения соединительной шайбы уменьшает величину несовпадения теплового сокращения, которое обязательно должно быть устранено, что обеспечивает возможность использования меньшей и более легкой тарельчатой шайбы для удержания предварительной нагрузки по сравнению с той, что могла быть использована.

В иллюстративных примерах предложено композитное соединение по меньшей мере с одним из следующего: меньшие пути утечки, большее полярное отверстие или меньший вес соединения по сравнению с соединениями, образованными из иных материалов, таких как металлы. Кроме того, в иллюстративных примерах предложено композитное соединение по меньшей мере с одним из следующего: меньшие пути утечки, большее полярное отверстие или меньший вес соединения по сравнению с композитными соединениями, использующими срезные штифты, проходящие через отверстия, выполненные в обоих компонентах. Таким образом, полезная нагрузка на воздушном летательном аппарате или космическом летательном аппарате может быть увеличена с использованием композитных соединений, имеющихся в иллюстративных примерах.

Несмотря на то, что резьбовые соединителей в глухом резьбовом композитном отверстии обычно считаются ненадежными, тестирование с помощью обычных вставок магния доказало обратное. Вставка с размером, составляющим приблизительно 0,45 дюйма (0,011 м) в диаметре, была ввинчена в утопленное отверстие в композитном блоке с размером, составляющим приблизительно 3,25 дюйма (8,26 см) в высоту на 3,75 дюймов (9,53 см) в ширину и на 1,75 дюймов (4,45 см) в глубину. Центральная ось вставки проходила поперек композитного материала. Было создано три опытных образца. Во время тестирования на вывод каждый из опытных образцов остались функциональными при усилии свыше 5000 фунтов (2268 кг), причем два из этих образцов выдержали усилие свыше 5500 фунтов (2495 кг).

Описание других иллюстративных вариантов реализации было представлено для целей иллюстрации и описания, при этом не следует считать, что оно исчерпывается или ограничено раскрытыми вариантами реализации. Многие модификации и изменения будут очевидны специалистам в данной области техники. Кроме того, другие иллюстративные варианты реализации могут обеспечивать другие признаки по сравнению с иными необходимыми вариантами реализации. Выделенный вариант реализации или выделенные варианты реализации выбраны и описаны для наилучшего пояснения принципов вариантов реализации, практического применения, а также для обеспечения возможности понимания другими специалистами в данной области техники настоящего изобретения для различных вариантов реализации с различными модификациями, которые подходят для конкретного предполагаемого использования.

Изобретение относится к области авиастроения и касается композитной емкости для воздушного судна, в частности композитной емкости для летательного и космического аппарата, способа формирования композитного соединения композитной емкости и композитного соединения. Композитная емкость содержит криволинейную стенку, имеющую отверстие, множество срезных соединителей, ввинченных в множество глухих отверстий в криволинейной стенке вокруг отверстия, множество болтов, взаимодействующих с указанным множеством срезных соединителей и соединяющих крышку с криволинейной стенкой с образованием соединения между крышкой и криволинейной стенкой, и множество соединительных шайб, выполненных из керамического матричного композитного материала или монолитной керамики, через которое проходит множество болтов. Изобретение обеспечивает снижение массы емкости и повышение топливной эффективности летательного аппарата. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Композитная емкость для летательного аппарата, содержащая:

криволинейную стенку, имеющую отверстие,

множество срезных соединителей, ввинченных в множество глухих отверстий в криволинейной стенке вокруг отверстия,

множество болтов, взаимодействующих с указанным множеством срезных соединителей и соединяющих крышку с криволинейной стенкой с образованием соединения между крышкой и криволинейной стенкой, и

множество соединительных шайб, выполненных из керамического матричного композитного материала или монолитной керамики, через которое проходит множество болтов.

2. Композитная емкость по п. 1, в которой указанное множество болтов проходит через указанное множество отверстий в крышке.

3. Композитная емкость по п. 2, в которой внутренняя поверхность каждого из указанного множества отверстий взаимодействует с лицевой стороной соответствующего срезного соединителя из указанного множества срезных соединителей.

4. Композитная емкость по п. 2, в которой

внутренняя поверхность каждого из указанного множества отверстий взаимодействует с лицевой стороной соответствующей шайбы из указанного множества шайб.

5. Композитная емкость по п. 1, дополнительно содержащая:

вторую криволинейную стенку, имеющую второе отверстие,

второе множество срезных соединителей, ввинченных во второе множество глухих отверстий во второй криволинейной стенке вокруг второго отверстия, и

второе множество болтов, взаимодействующих с указанным вторым множеством срезных соединителей и соединяющих вторую крышку со второй криволинейной стенкой с образованием второго соединения между второй крышкой и второй криволинейной стенкой.

6. Композитная емкость по п. 1, в которой указанное множество глухих отверстий содержит резьбу.

7. Композитная емкость по п. 1, в которой указанное множество срезных соединителей представляет собой множество полых срезных соединителей.

8. Композитная емкость по п. 1, в которой центральные оси указанного множества глухих отверстий по существу параллельны друг другу и по существу перпендикулярны плоскости раздела между крышкой и криволинейной стенкой.

9. Композитное соединение композитной емкости для летательного аппарата, содержащее:

композитную стенку, имеющую отверстие,

крышку,

множество срезных соединителей, ввинченных в кромку отверстия,

множество болтов, проходящих через крышку и взаимодействующих с указанным множеством срезных соединителей, и

множество соединительных шайб, выполненных из керамического матричного композитного материала или монолитной керамики, через которое проходит множество болтов.

10. Композитное соединение по п. 9, в котором указанное множество срезных соединителей ввинчено в множество глухих отверстий в композитной стенке.

11. Композитное соединение по п. 9, дополнительно содержащее адгезив между резьбами указанного множества срезных соединителей и композитной стенкой.

12. Композитное соединение по п. 9, дополнительно содержащее множество шайб, взаимодействующих с указанным множеством болтов и крышкой.

13. Композитное соединение по п. 12, в котором каждая из указанного множества шайб содержит выступ, контактирующий с внутренней поверхностью соответствующего отверстия крышки.

14. Композитное соединение по п. 13, в котором каждый из указанного множества срезных соединителей имеет поверхность, контактирующую с внутренней поверхностью соответствующего отверстия крышки таким образом, что диаметр поверхности и диаметр выступа по существу равны друг другу.

15. Способ формирования композитного соединения композитной емкости для летательного аппарата, включающий:

ввинчивание множества срезных соединителей в множество глухих отверстий вокруг отверстия в композитной стенке,

размещение крышки поверх указанного отверстия в композитной стенке, и

ввинчивание множества болтов в указанное множество срезных соединителей через множество соединительных шайб, выполненных из керамического матричного композитного материала или монолитной керамики, для закрепления крышки поверх указанного отверстия в композитной стенке.

16. Способ по п. 15, согласно которому закрепление крышки поверх отверстия в композитной стенке включает:

вставку множества болтов через крышку и

ввинчивание указанного множества болтов в указанное множество срезных соединителей.

17. Способ по п. 15, дополнительно включающий нанесение адгезива на указанное множество срезных соединителей и/или указанное множество глухих отверстий перед ввинчиванием указанного множества срезных соединителей в указанное множество глухих отверстий.

18. Способ по п. 15, дополнительно включающий высверливание указанного множества глухих отверстий вокруг указанного отверстия в композитной стенке.

19. Способ по п. 15, дополнительно включающий прецизионную механическую обработку множества отверстий через крышку таким образом, что стенки указанного множества отверстий взаимодействуют с указанным множеством срезных соединителей, когда крышка закреплена поверх указанного отверстия в композитной стенке.