Многослойная конструкция с синусоидальным заполнителем Российский патент 2023 года по МПК B32B7/00 

Данное изобретение относится к многослойным конструкциям с заполнителями в виде регулярной объемной структуры, используемым при производстве многослойных панелей, оболочек и замкнутых контуров, применяемых в качестве силовых или вспомогательных элементов конструкции различных машин и механизмов.

В технических устройствах различного назначения широко используются многослойные конструкции с несущими слоями из листового металла или слоистого ламината и специального легкого заполнителя в виде пены, сот, гофра, складчатых элементов, расположенными между указанными слоями.

Многослойная конструкция воспринимает нагрузки подобно двутавровому профилю, обеспечивая наибольшую жесткость при минимально возможной массе. Благодаря квазинепрерывной опоре несущих слоев на заполнитель, повышается их устойчивость к выпучиванию и, тем самым обеспечивается высокая несущая способность. По сравнению с оребренными в двух направлениях панелями и оболочками, многослойные конструкции выгодно отличаются меньшим весом при высоких прочностных характеристиках.

Вместе с тем, вышеуказанные виды заполнителя имеют ряд недостатков, среди которых основные связаны со сложностью удаления конденсата, влагопоглощением, с изготовлением конструкций сложной конфигурации, с осуществлением контроля качества соединения заполнителя и несущих слоев.

В настоящее время ведутся активные разработки и испытания заполнителей различных форм и структур.

Одним из решений вышеуказанных проблем является применение заполнителя, форма которого позволяет осуществлять удаление конденсата или транспортировку жидкости и газа в межслоевом пространстве, не снижая прочностных и жесткостных характеристик разрабатываемой структуры по сравнению с существующими аналогами в виде сот, гофр и др.

Известен «Дискретный заполнитель многослойной панели» (патент RU 2747179, МПК B32B 7/00 (2006.01), опубл. 28.04.2021 г.), выполненный в виде повторяющихся пирамидальных дискретных структур, представляющих собой изолированные друг от друга, либо сопряженные между собой пирамидальные трех-, четырех- или шестигранные ячейки, имеющие соединительные площадки для соединения с несущими слоями либо с другими слоями заполнителя.

Недостатками описанных в патенте RU 2747179 структур заполнителя являются наличие большого количества концентраторов напряжений в виде ребер пирамидальных ячеек, угловых соединений ячеек заполнителя с несущими слоями, способствующие возникновению трещин вследствие усталости материала при знакопеременных нагрузках. Описанная конфигурация ячейки, при которой основание каждой пирамидальной ячейки может быть выполнено в виде квадрата, треугольника либо гексагона, а контактная площадка на вершине выполнена в виде квадрата, треугольника, гексагона либо круга, приведет к вытяжке, изменению толщины, образованию трещин, разрывов и концентраторов напряжений в материале, из которого изготовлен заполнитель, а следовательно – к ухудшению механических свойств ячейки, контролировать которое невозможно или достаточно трудозатратно. Наличие указанных недостатков делает технически нецелесообразным применение предложенных структур в качестве заполнителя или элемента конструкции, особенно в условиях многократного нагружения.

Известен «Ферменный заполнитель многослойной панели» (патент RU 151699, B21D 47/00 (2006/1), опубл. 2015 г.), выполненный в виде объемной структуры из повторяющихся пирамидальных или тетраэдальных ячеек, имеющих общую вершину с каждой из соседней, с ребрами, выполненными из зигзагообразных стержневых элементов, и обшивок, при этом на каждой вершине и основании пирамидальных или тетраэдальных ячеек расположены шипы, а на обшивках в ответной части расположены отверстия под размеры и конфигурацию шипов.

Недостатками данной структуры заполнителя является наличие концентраторов напряжений в местах соединения стержневых элементов и несущих слоев, также приводящих к появлению трещин, а также невозможность изготовления многослойного пакета из слоев заполнителя без промежуточных несущих слоев.

Существует «Гофрированная оболочка» (патент RU 2200807, E04B 7/10 (2000.01), опубл. 2000 г). Данная гофрированная оболочка содержит волны гофра, выполненные по двум ортогональным направлениям с различным соотношением глубин волн гофра.

Указанная гофрированная оболочка обладает повышенной изгибной жесткостью по двум ортогональным направлениям и может быть использована как чувствительный конструктивный элемент измерительных приборов и устройств, но не обладает прочностными и жесткостными характеристиками, позволяющими применить ее в качестве заполнителя в силовых конструкциях, способных воспринимать внешнее давление, изгибающие и крутящие моменты.

Наиболее близким аналогом является «Многослойная несущая поверхность с дискретным заполнителем» (патент RU 2749312), представляющая собой структуру, состоящую из ряда слоев дискретного заполнителя в виде системы ячеек многогранной формы, расположенных в шахматном порядке и несущих слоев, моделирующую несущую поверхность типа крыла самолета, имеющую криволинейную форму профиля сечения.

Данная несущая поверхность содержит заполнитель, представленный в патенте «Дискретный заполнитель многослойной панели» (RU 2747179, МПК B32B 7/00 (2006.01), опубл. 28.04.2021 г.), недостатком которого является ухудшение механических свойств ячеек в процессе эксплуатации, причины которого были рассмотрены выше.

Задача изобретения состоит в устранении недостатков, связанных с наличием большого количества концентраторов напряжений, значительным изменением толщины стенок заполнителя в процессе формирования ячеек сложной конфигурации, присущих многослойным конструкциям с вышеуказанными формами элементов, которые приводят к значительному ухудшению механических свойств изделия, возникновению разрывов, трещин и микродефектов и расслоений в материале.

Техническим результатом, при осуществлении предлагаемого изобретения являются повышение качества, надежности и ресурса, а также получение стабильных прочностных и жесткостных характеристик предлагаемой многослойной конструкции, содержащей синусоидальный заполнитель.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известной многослойной конструкции, содержащей, по меньшей мере, два несущих слоя и, по меньшей мере, один слой заполнителя, заключенный между двумя несущими слоями, согласно заявляемому изобретению, один слой заполнителя состоит из множества чередующихся ячеек выпуклой и вогнутой формы, образованных поверхностью имеющей в сечении по продольному и поперечному направлениям форму синусоиды с постоянным периодом колебаний в обоих направлениях, при этом на поверхности ячеек выполнены по меньшей мере четыре ребра жесткости, расположенные в направлении образующей на равном расстоянии друг от друга, причем слои заполнителя соединены с несущими слоями или соседними слоями заполнителя, или соседним слоем заполнителя и несущим слоем многослойной конструкции в контактных точках, расположенных на вершине каждой ячейки.

В частном случае заполнитель может быть изготовлен из композитного материала.

В частном случае заполнитель может быть изготовлен из металла.

В частном случае несущий слой может быть изготовлен из композитного материала.

В частном случае несущий слой может быть изготовлен из металла.

Контактная точка ячейки одного слоя заполнителя может быть соединена с соответствующей контактной точкой ячейки другого слоя заполнителя или с несущим слоем посредством сварки, пайки или склеивания.

Слои заполнителя могут быть установлены друг относительно друга так, что каждый последующий слой заполнителя является зеркальным отражением предыдущего слоя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны:

Фиг. 1 - трехслойная конструкция с синусоидальным заполнителем, вид в перспективе;

Фиг. 2 - слой синусоидального заполнителя с ячейками;

Фиг. 3 - элементарная ячейка слоя синусоидального заполнителя, показанного на фиг. 2;

Фиг. 4 - сборка из нескольких слоев синусоидального заполнителя.

Многослойная конструкция состоит из, по меньшей мере двух несущих слоев и заполнителя синусоидальной формы, расположенного между несущими слоями. Согласно предлагаемому изобретению между несущими слоями может быть установлен один или несколько слоев заполнителя, наложенных друг на друга, соединенных между собой и содержащих регулярный набор синусоидальных ячеек, лежащих в одной плоскости.

Слой заполнителя состоит из множества чередующихся куполообразных ячеек выпуклой и вогнутой формы, образованных поверхностью, имеющей в сечении по продольному и поперечному направлениям форму синусоиды с постоянным периодом колебаний в обоих направлениях. В многослойной конструкции слои заполнителя установлены друг относительно друга так, что каждый последующий слой является зеркальным отражением предыдущего слоя. На выпуклой стороне каждой ячейки, на равном расстоянии друг от друга расположены четыре ребра жесткости, с высотой, соизмеримой с толщиной стенки заполнителя, направленные по образующей ячейки от ее вершины к основанию. Количество слоев заполнителя, а также количество и высота ячеек выбираются исходя из требуемых прочностных, жесткостных, конструкторских или технологических параметров. Согласно изобретению, толщина слоя, ориентация и шаг ячеек выбирается согласно нагрузке, воздействующей на многослойную конструкцию.

Соединение слоев заполнителя между собой по вершинам ячеек и с несущими слоями выполняется с помощью точечной сварки, пайки или склеивания.

Синусоидальный заполнитель может быть изготовлен из различных материалов, например, из полимеров или металлов.

В случае выполнения многослойной конструкции из полимерных материалов слои изготавливаются методом выкладки композитного материала с последующей полимеризацией связующего и, при необходимости, осуществляется напыление покрытия. При этом виды материала, количество слоев композитного материала в укладке, угол укладки слоя композитного материала и толщины заполнителя и несущих слоев могут различаться.

В случае выполнения заполнителя многослойной конструкции из металлов слои изготавливаются методом горячей или холодной штамповки, при этом, в зависимости от назначения изделия, материалом могут быть, например, алюминий, сталь, титан или их сплавы. При этом материалы и толщины заполнителя и несущих слоев могут различаться.

Многослойные металлические или композитные заполнители могут быть изготовлены, как единое целое с несущими слоями с использованием технологий литья и аддитивного производства. При этом предлагаемая структура заполнителя значительно облегчит удаление вспомогательной массы сырья, применяемого при изготовлении аддитивным способом или материала литейных форм. Кроме того, благодаря дискретной структуре заполнителя, в процессе 3D-печати возможно изготовление в одну технологическую операцию, как плоских многослойных конструкций, так и конструкций криволинейной формы

Объектами применения предлагаемого изобретения могут являться многослойные строительные панели, оболочки с изменяемой формой образующей, замкнутые контуры несущих поверхностей летательных аппаратов и иные конструкции сложной конфигурации.

На фиг. 1 показана трехслойная панель, как частный случай многослойной конструкции, содержащая несущие слои 1, между которыми расположен слой синусоидального заполнителя 2. Материалом несущих слоев может быть любой конструкционный материал, удовлетворяющий поставленным требованиям.

Слой синусоидального заполнителя 2 отдельно представлен на фиг. 2. Слой синусоидального заполнителя представляет собой набор взаимосвязанных куполообразных ячеек 3 (фиг. 2). Ячейки выгнутой и вогнутой формы располагаются поочередно. Другими словами, вершина 4 одной ячейки направлена вверх, а вершины 4 граничащих с ней ячеек – вниз или наоборот.

На фиг. 3 показана элементарная куполообразная ячейка 3 слоя синусоидального заполнителя 2. Заполнитель 2 представляет собой пространственную фигуру выпуклой формы, по существу в виде системы куполов или полуволн, описываемую тригонометрическим уравнением:

где:

H₀ – высота ячейки заполнителя,

d – размер основания ячейки по координатам x и y. Вершина 4 ячейки 3 является контактной точкой, в которой слои 2 синусоидального заполнителя соединяются друг с другом. Также в контактной точке может производиться крепление слоёв 2 к несущему слою или несущим слоям 1.

Ячейка 3 содержит на своей поверхности по меньшей мере четыре ребра жесткости 6, расположенных по образующей ячейки, на равном расстоянии друг от друга. На фиг. 3 показана ячейка 3 с четырьмя ребрами. Ребра направлены от вершины ячейки 4 до конца образующей в точке 7, расположенной на основании ячейки. Сечение ребер жесткости 6 представляет полукруг с переменным радиусом. Радиус сечения ребра жесткости 6 в точке 7 принимает максимальное значение, соизмеримое с толщиной стенки заполнителя 2.

Следует отметить, что наличие ребер жесткости 6 значительно повышает несущую способность слоя синусоидального заполнителя 2, а также повышает жесткость многослойной конструкции в целом.

Слои заполнителя 2 установлены друг относительно друга таким образом, что каждый последующий слой является зеркальным отражением предыдущего слоя (фиг. 4). При этом чередование ячеек выпуклой и вогнутой формы образует множество взаимосвязанных каналов.

Посредством вышеуказанного соединения слоев друг с другом или с несущими слоями получаем жесткую сборку (фиг. 4), образующую многослойную конструкцию (фиг. 1).

Предлагаемая многослойная конструкция может быть выполнена за одну технологическую операцию, если несущие слои и заполнитель изготовлены из материалов, применяемых при аддитивном производстве.

Структура многослойных конструкций с синусоидальным заполнителем способна воспринимать статические, динамические и температурные нагрузки различного характера, при этом не теряя несущей способности, и также позволяет выполнять функции тепло- и звукоизоляции, демпфирования при ударном воздействии, и кроме того формировать сообщающиеся каналы течения жидкостей и газов различного назначения, обеспечивая транспортировку вещества в пределах как одного слоя, так и между слоями многослойной конструкции. Многослойная конструкция данного вида позволяет значительно снизить массу готового изделия или элемента конструкции вследствие дискретной структуры заполнителя, сохраняя или увеличивая жесткость, повысить качество, надежность и ресурс изделия. В то же самое время она не обладает недостатками, характерными для наиболее распространенных сотовых заполнителей: тенденцией к накоплению влаги и снижением несущей способности вследствие разрушения при замерзании влаги.

Изобретение применимо для использования в авиа-, авто- и судостроении, на железнодорожном транспорте, а также в области строительства, в химических, гидротехнических установках и других отраслях промышленности в составе конструктивно-силовой схемы агрегата.

Изобретение относится к многослойным конструкциям с заполнителями. Конструкция содержит два несущих слоя и один слой заполнителя, заключенный между ними. Слой заполнителя состоит из множества чередующихся ячеек выпуклой и вогнутой формы, образованных поверхностью, имеющей в сечении по продольному и поперечному направлениям форму синусоиды с постоянным периодом колебаний в обоих направлениях. На поверхности ячеек выполнены четыре ребра жесткости, расположенные в направлении образующей на равном расстоянии друг от друга. Слой заполнителя соединен с соседними слоями в контактных точках, расположенных на вершине каждой ячейки. Применение заполнителя позволяет удалять конденсат из межслоевого пространства, транспортировать жидкости или газы внутри многослойной конструкции, а так же повышает качество, надежность и ресурс конструкции. Отсутствие концентраторов напряжений и резких изменений кривизны поверхности заполнителя, обеспечивает прочностные характеристики, превышающие характеристики существующих многослойных панелей. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многослойная конструкция с синусоидальным заполнителем, содержащая, по меньшей мере, два несущих слоя и, по меньшей мере, один слой заполнителя, заключенный между двумя несущими слоями, отличающийся тем, что один слой заполнителя состоит из множества чередующихся ячеек выпуклой и вогнутой формы, образованных поверхностью, имеющей в сечении по продольному и поперечному направлениям форму синусоиды с постоянным периодом колебаний в обоих направлениях, при этом на поверхности ячеек выполнены, по меньшей мере, четыре ребра жесткости, расположенные в направлении образующей на равном расстоянии друг от друга, причем слои заполнителя соединены с несущими слоями или соседними слоями заполнителя, или соседним слоем заполнителя и несущим слоем многослойной конструкции в контактных точках, расположенных на вершине каждой ячейки.

2. Многослойная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что заполнитель изготовлен из композитного материала.

3. Многослойная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что заполнитель изготовлен из металла.

4. Многослойная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что несущий слой изготовлен из композитного материала.

5. Многослойная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что несущий слой изготовлен из металла.

7. Многослойная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что контактная точка, по меньшей мере, одной ячейки одного слоя заполнителя соединена с соответствующей контактной точкой ячейки другого слоя заполнителя или с несущим слоем посредством сварки, пайки или склеивания.

8. Многослойная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что слои заполнителя установлены друг относительно друга так, что каждый последующий слой заполнителя является зеркальным отражением предыдущего слоя.