Силовая оболочка из слоистого композиционного материала Российский патент 2019 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 корпусах авиационной и ракетной техники.

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 опублик. 10.05.2014).

Известна 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 и кольцевыми гайками с коническими поверхностями, которые частично или полностью утоплены в радиальных пазах (патент РФ 2599876 С1 МПК F17C 1/00 (2006.01), опублик. 20.10.2016 бюл. №29).

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, которые 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.

В конструкции по патенту РФ 2599876 использованы кольцевые гайки с коническими поверхностями на штифтах ШШС, которые должны ограничивать поперечные деформации и препятствовать расслоению и разрушению КМ. Положительный эффект от использования такого решения есть, но имеются следующие слабые стороны такой конструкции.

Каждое резьбовое соединение со временем ослабевает, надежность его зависит от качества затяжки (человеческий фактор) и под нагрузкой оно несколько растягивается за счет зазоров в резьбе. Все вместе это приводит к возможности поперечных деформаций КМ, которые снижают порог работоспособности. Конические поверхности могут обеспечить сжатие слоев при действии осевой нагрузки, но для этого необходимо перемещение штифта в направлении действия силы, по оси шпильки, что возможно только при начале процесса разрушения.

Конструкция силовой оболочки из слоистого композиционного материала по патенту РФ 2599876 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 из слоистого композиционного материала 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 отверстиями под шпильки, согласно изобретению штифты выполнены заодно целое с кольцевыми буртиками на торцах и гладкими отверстиями под шпильку, и при этом состоят из двух половин, разделенных между собой зазором по плоскости перпендикулярной оси штифта и совмещенной с осью шпильки, и снабжены наклонными поверхностями на своих внешних торцах, симметрично расположенными относительно осей шпилек и сближающимися друг к другу в направлении торцев шпилек, а со стороны наклонных поверхностей расположены скобы, с зазором по оси шпильки от половин штифтов и с центральными отверстиями под шпильки, хвостовики которых заходят на наклонные поверхности половин штифтов и имеют ответные им наклонные поверхности, причем в частных случаях выполнения изобретения половины штифтов выполнены с разной осевой длиной, буртики на внешних торцах половин штифтов выполнены прямоугольного или треугольного сечения, буртики на внешних торцах половин штифтов частично или полностью утоплены в материал оболочки, половины штифтов имеют со стороны скоб плоские срезы перпендикулярные осям шпилек, центральные отверстия скоб выполнены с внутренней резьбой под шпильки, центральные отверстия скоб выполнены с гладкими поверхностями, а шпильки снабжены гайками, отверстия в половинах штифтов выполнены удлиненного по оси штифтов сечения, величина зазора между половинами штифтов определяется из величины предельных деформаций на смятие для материала стыковочного торцевого шпангоута, величина зазора по оси шпильки между скобами и половинами штифтов определяется из величины предельных деформаций на смятие для материала стыковочного торцевого шпангоута, свободное пространство пазов, при установленных половинах штифтов и скобах, частично или полностью, заполнено полимерным составом, например, пенополиуретаном или полимерным связующим с наполнителем или резиноподобным материалом.

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 заодно целое с кольцевыми буртиками на торцах и гладкими отверстиями под шпильку,

- штифты состоят из двух половин, разделенных между собой зазором по плоскости перпендикулярной оси штифта и совмещенной с осью шпильки,

- штифты снабжены наклонными поверхностями на своих внешних торцах, симметрично расположенными относительно осей шпилек и сближающимися друг к другу в направлении торцев шпилек,

- со стороны наклонных поверхностей расположены скобы, с зазором по оси шпильки от половин штифтов и с центральными отверстиями под шпильки,

- хвостовики которых заходят на наклонные поверхности половин штифтов и имеют ответные им наклонные поверхности;

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- половины штифтов выполнены с разной осевой длиной,

- буртики на внешних торцах половин штифтов выполнены прямоугольного или треугольного сечения,

- буртики на внешних торцах половин штифтов частично или полностью утоплены в материал оболочки,

- половины штифтов имеют со стороны скоб плоские срезы перпендикулярные осям шпилек,

- центральные отверстия скоб выполнены с внутренней резьбой под шпильки,

- центральные отверстия скоб выполнены с гладкими поверхностями, а шпильки снабжены гайками,

- отверстия в половинах штифтов выполнены удлиненного по оси штифтов сечения,

- величина зазора между половинами штифтов определяется из величины предельных деформаций на смятие для материала стыковочного торцевого шпангоута,

- величина зазора по оси шпильки между скобами и половинами штифтов определяется из величины предельных деформаций на смятие для материала стыковочного торцевого шпангоута,

- свободное пространство пазов, при установленных половинах штифтов и скобах, частично или полностью, заполнено полимерным составом, например, пенополиуретаном или полимерным связующим с наполнителем или резиноподобным материалом.

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».

В предлагаемой оболочке, для повышения прочности узла соединения за счет исключения расслоений (раздиру слоев) у поверхности силового контакта штифта с пазом, используются две половины штифтов, в наклонные поверхности которых упирается скоба своими ответными наклонными поверхностями.

При возникновении осевой нагрузки на шпильке, скоба начинает надвигаться на половины штифта и одновременно с осевой силой за счет наклонных поверхностей на половины штифтов передаются поперечные силы, которые сдвигают их друг к другу. При этом кольцевые буртики начинают сжимать слои композиционного материала препятствуя их расслоению. Величина поперечной сжимающей силы изменяется пропорционально силе действия штифта на композиционный материал - осевой силе. Соотношение между этими силами, вдоль оси шпильки и поперек, определяется углом расположения наклонных поверхностей.

В частном случае исполнения, для расширения прочностных и эксплуатационных характеристик, при расположении оси шпильки не по срединной поверхности стыковочного торцевого шпангоута половины штифтов могут быть выполнены разной длины, при сохранении симметричности наклонных поверхностей относительно оси шпильки. В зависимости от конкретных условий буртики могут быть прямоугольного или треугольного сечения и они могут быть на поверхности КМ или частично или полностью утоплены в материал оболочки.

Скобы могут быть выполнены с резьбовым центральным отверстием для крепления шпильки или шпилька может крепиться гайкой с упором в свободную поверхность скобы.

В зависимости от величины планируемого перемещения половин штифтов отверстия в половинах штифтов могут быть удлиненного по оси штифта сечения.

Величину сжатия композиционного материала можно ограничить, для исключения превышения предельных значений прочности композиционного материала на смятие, величиной перемещения половин штифта за счет установления первоначального зазора между ними - когда половины штифтов упрутся друг в друга величина поперечной сжимающей силы на композиционном материале достигнет своей предельной величины.

Такой же результат можно получить задавая величину зазора между скобой и боковой поверхностью половин штифта. В этом случае проявляется дополнительный положительный эффект - разгружается конструкция скобы за счет передачи осевой силы от скобы на половины штифтов не только по наклонным поверхностям, но и по площади срединной части скобы и боковой поверхности половин штифтов.

В зависимости от условий сборки оболочки с ответными конструкциями свободное пространство пазов, при установленных половинах штифтов и скобах, частично или полностью, может быть заполнено полимерным составом, например, пенополиуретаном или полимерным связующим с наполнителем или резиноподобным материалом для фиксации половин штифтов и скоб в пазах и/или заглушения сквозных отверстий.

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

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

На фиг. 1 представлена заявленная силовая оболочка, на фиг. 2 - сечение стыковочного узла с половинами штифта, скобой и шпилькой, на фиг. 3 - вид половин штифта, скобы, шпильки и гайки.

Силовая оболочка 1 содержит стыковочный торцевой шпангоут 2, с распределенными по окружности радиальными пазами 3 под штифты, и состоящий из слоев 4 композиционного материала. В пазах 3 расположены половины штифтов 5, 6, с зазором 7 между собой, с кольцевыми буртиками 8, 9 и наклонными поверхностями 10, 11, симметрично расположенных относительно оси шпильки 12. Кольцевые буртики могут быть треугольного (фиг. 2) или прямоугольного (фиг. 3) сечения. Отверстие 13 в штифте при выполнении его в виде двух половин преобразуется в две цилиндрические арки на каждой половине, которые могут быть удлиненной в радиальном направлении формы для обеспечения свободы перемещения половин штифта друг к другу - отверстия можно сделать просто большего диаметра, а можно максимально уменьшить в поперечном направлении, но вытянуть по оси штифта.

Со стороны наклонных поверхностей 10, 11 в пазах расположены скобы 14, с центральными отверстиями 15 под шпильки 12, хвостовики 16, 17 которых заходят на наклонные поверхности 10, 11 штифтов и имеют ответные им наклонные поверхности 18, 19. Скобы 14 расположены с зазором 20 по оси шпильки относительно боковой поверхности (среза) 21 половин штифтов и скреплены со шпильками резьбовым соединением по своим центральным отверстиям 15 (фиг. 2) или гайками 22 (фиг. 3).

Экспериментальная проверка, проводимая на серийном предприятии с использованием промышленного оборудования, 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 корпусах авиационной и ракетной техники. Силовая оболочка 1 содержит стыковочный торцевой шпангоут 2 с распределенными по окружности радиальными пазами 3 под штифты. Шпангоут 2 выполнен из слоев 4 композиционного материала на основе однонаправленного и тканного армирующего материала и полимерного связующего. Штифты выполнены с гладкими отверстиями под шпильки 12 в виде двух половин 5, 6, расположенных с зазором 7 между собой. Штифты выполнены за одно целое с кольцевыми буртиками 8, 9 и имеют наклонные поверхности 10, 11, симметрично расположенные относительно оси шпильки 12. Со стороны наклонных поверхностей 10, 11 расположены скобы 14 с центральными отверстиями 15 под шпильки 12. Хвостовики 16, 17 скоб 14 заходят на наклонные поверхности 10, 11 штифтов и имеют ответные им наклонные поверхности 18, 19. Изобретение позволяет повысить прочность узла соединения и расширить область применения силовых оболочек из слоистых композиционных материалов. 10 з.п. ф-лы, 3 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 отверстиями под шпильки, отличающаяся тем, что штифты выполнены за одно целое с кольцевыми буртиками на торцах и гладкими отверстиями под шпильку и при этом состоят из двух половин, разделенных между собой зазором по плоскости, перпендикулярной оси штифта и совмещенной с осью шпильки, и снабжены наклонными поверхностями на своих внешних торцах, симметрично расположенными относительно осей шпилек и сближающимися друг к другу в направлении торцов шпилек, а со стороны наклонных поверхностей расположены скобы с зазором по оси шпильки от половин штифтов и с центральными отверстиями под шпильки, хвостовики которых заходят на наклонные поверхности половин штифтов и имеют ответные им наклонные поверхности.

2. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что половины штифтов выполнены с разной осевой длиной.

3. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что буртики на внешних торцах половин штифтов выполнены прямоугольного или треугольного сечения.

4. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что буртики на внешних торцах половин штифтов частично или полностью утоплены в материал оболочки.

5. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что половины штифтов имеют со стороны скоб плоские срезы, перпендикулярные осям шпилек.

6. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что центральные отверстия скоб выполнены с внутренней резьбой под шпильки.

7. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что центральные отверстия скоб выполнены с гладкими поверхностями, а шпильки снабжены гайками.

8. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия в половинах штифтов выполнены удлиненного по оси штифтов сечения.

9. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что величина зазора между половинами штифтов определяется из величины предельных деформаций на смятие для материала стыковочного торцевого шпангоута.

10. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что величина зазора по оси шпильки между скобами и половинами штифтов определяется из величины предельных деформаций на смятие для материала стыковочного торцевого шпангоута.

11. Армированная оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что свободное пространство пазов, при установленных половинах штифтов и скобах, частично или полностью, заполнено полимерным составом, например пенополиуретаном, или полимерным связующим с наполнителем, или резиноподобным материалом.