ПАНЕЛЬ КАРКАСОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2025 года по МПК B32B5/22 B64F5/10 B64C1/00 

Изобретение относится к объемным каркасным панелям из композиционных материалов, а именно, к конструкциям корпусных деталей, и может быть применено в изделиях авиационной и ракетно-космической техники, энергетики и машиностроении, работающие в условиях сложного напряженного состояния. В указанных отраслях необходимым условием применения панелей, выполненных из высокомодульных полимерных композиционных материалов, является прочность, устойчивость и надежность конструкции при минимальных массовых характеристиках.

Известен каркас конструкции антенного рефлектора из полимерного композиционного материала (патент RU 2556424 С2, МПК H01Q 15/16, опубл. 10.07.2015), содержащий тонкую оболочку сложной геометрической формы, образованную материалом из углепластика, подкрепленную со своей тыльной стороны ребрами жесткости в виде сетчатой структуры, которая собрана из трех комплектов параллельных ребер жесткости, выполненных из углепластика, расположенных относительно друг друга под углами 60 градусов и приклеенных к тыльной стороне оболочки рефлектора. Каждое из ребер имеет пазы, находящиеся в точках пересечения ребер друг с другом, обеспечивая их сборку в единую сетку для последующего склеивания друг с другом и совместно с оболочкой в единое целое, причем продольные плоскости всех ребер ориентированы параллельно фокусной оси рефлектора. При этом сетка выполнена в виде гибридной треугольно-гексагональной структуры, состоящей из трехгранных и шестигранных ячеек, структура образована из изогридной треугольной структуры при эквидистантном смещении одного из трех комплектов параллельных ребер. В треугольно-гексагональной сеточной структуре все ребра пересекаются друг с другом только попарно. Дополнительно для увеличения узловой жесткости в местах стыка ребер друг с другом полости образованных трехгранных ячеек заливают клеевым компаундом с последующим отверждением.

Недостатками каркаса конструкции антенного рефлектора из полимерного композиционного материала являются:

- ребра имеют пазы, находящиеся в точках пересечения ребер друг с другом, приводящие к ослаблению межузлового соединения, и, следовательно, теряют прочность и жесткость конструкции;

- склеивание между собой элементов конструкции приводит к увеличению массы и к повышенному риску нарушения целостности конструкции при переменных нагрузках;

- дополнительная заливка клеевым компаундом в трехгранные ячейки приводит к значительному увеличению массы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является панель из слоистых композиционных материалов (патент RU 2518519 С2, МПК В64С 3/20, В64С 1/00, B64F 5/00, В32В 3/12, В32В 1/08, опубл. 10.06.2014), содержащая обшивку с гладкой, пологой геометрической формой наружной поверхности, скрепленную с силовыми наборами, выполненными в виде системы скрепленных с обшивкой перекрещивающихся кольцевых и спиральных ребер, состоящих из слоев однонаправленных высокопрочных (высокомодульных) нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим, ориентированных вдоль геодезических линий на внутренней поверхности обшивки, причем толщина и высота ребер, в общем случае, различны.

Недостатками панели из слоистых композиционных материалов являются:

- толщина сравнительно высоких ребер, приводящая к значительному увеличению массы.

Технической задачей изобретения является создание панели каркаса из полимерных композиционных материалов, применяемой в изделиях, работающих в условиях сложнонапряженного состояния, обладающей минимальной массой с достаточной жесткостью и прочностью, с упрощенной и усовершенствованной конструкцией, обеспечивающей высокую надежность и технологичность, взаимозаменяемость и ремонтопригодность, позволяющие расширить функциональные возможности использования панели каркаса в любых отраслях промышленности.

Техническая задача решается панелью каркаса из полимерных композиционных материалов, содержащей силовой реберно-ячеистый каркас, выполненный в виде системы перекрещивающихся ребер жесткости, состоящих из слоев однонаправленных высокопрочных и/или высокомодульных нитей, скрепленных полимерным связующим, при этом ребра жесткости расположены относительно друг друга под углом 90 градусов, сформированные в виде единого тонкостенного профиля, состоящего из горизонтального основания, сопряженного посередине и вдоль с вертикальной полкой, образованные тонкой нитью армирования, пропитанной полимерным связующим. Минимальная толщина ребер жесткости позволяет снижать массу за счет уменьшения площади сечения ребер и увеличения расстояния между ними.

Для повышения изгибной жесткости и устойчивости в ребрах жесткости применяется комбинация различных нитей армирования, имеющих более высокий модуль упругости, при этом наружный слой должен быть диэлектриком, обладающим свойством электроизоляции и позволяющий использовать в условиях, сосредоточенных и (или) распределенных осевых и перерезывающих сил, изгибающих моментов.

В межреберных пространствах возможно размещение прослойки из пористого материала, соединенного с внутренними поверхностями вертикальной полки, горизонтальным основанием и обшивкой.

Ребра жесткости, сформированные в виде единого тонкостенного профиля, состоящего из горизонтального основания, сопряженного посередине и вдоль с вертикальной полкой, позволяют обеспечить надежное соединение и оформление мест приложения локальных нагрузок путем установки крепления на ребрах металлических фитингов.

При конструктивной необходимости панель каркаса может иметь ребра жесткости расположены относительно друг друга под углом 90 градусов, сформированные в виде единого профиля, состоящего по краям из горизонтальных оснований, сопряженных посередине и вдоль с вертикальной полкой, образованные тонкой нитью армирования, пропитанной полимерным связующим.

Отличительными особенностями заявленного изобретения являются следующие признаки:

- ребра жесткости расположены относительно друг друга под углом 90 градусов, сформированные в виде единого профиля, состоящего по краям из горизонтальных оснований, сопряженных посередине и вдоль с вертикальной полкой, образованные тонкой нитью армирования, пропитанной полимерным связующим;

- ребра жесткости расположены относительно друг друга под любым углом;

- на горизонтальных основаниях ребер жесткости возможно присоединить гладкую обшивку;

- между ребрами жесткости возможно размещение прослойки из пористого материала, соединенной с внутренней поверхностью вертикальной полки, с внутренней поверхностью горизонтального основания и с гладкой обшивкой;

- между ребрами жесткости возможно размещение металлического фитинга, соединенного с внутренней поверхностью вертикальной полки и с внутренней поверхностью горизонтального основания;

- горизонтальные основания ребер жесткости сформированы комбинацией различных нитей армирования, при этом наружный слой должен быть диэлектриком;

- на горизонтальных основаниях ребер жесткости установлены солнечные батареи.

Указанные признаки являются существенными, так как каждый из них направлен на достижение заявленного технического результата в соответствии с поставленной задачей.

Использование совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие предложенного технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общеизвестными обеспечивает решение поставленной задачи и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами.

Данное техническое решение является результатом научно-исследовательской работы по снижению веса панели каркаса из полимерных композиционных материалов повышение жесткости, прочности, надежности. Решение обладает неочевидностью, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется фиг. 1-7. На фиг. 1, 2, 7 в изометрической проекции представлены общий вид панели каркаса из полимерных композиционных материалов. На фиг. 3, 4 представлены поперечные сечения фрагментов ребра жесткости заявленной панели каркаса. На фиг. 5 показан фрагмент ребер жесткости заявленной панели каркаса с размещенной между ними прослойкой из пористого материала и гладкой обшивкой. На фиг. 6 показан фрагмент ребер жесткости заявленной панели каркаса с размещенным между ними металлическим фитингом.

Заявленная панель каркаса из полимерных композиционных материалов (фиг. 1) включает в себя ребра жесткости 1, сформированные в виде единого профиля, состоящего из горизонтального основания 2, сопряженного посередине и вдоль с вертикальной полкой 3, причем ребра жесткости 1 расположенные относительно друг друга под углом 90 градусов.

На фиг. 2 изображена панель каркаса из полимерных композиционных материалов, включающая в себя ребра жесткости 1 сформированные в виде единого профиля, состоящего по краям из горизонтальных оснований 2, сопряженных посередине и вдоль с вертикальной полкой 3, причем ребра жесткости 1 расположены относительно друг друга под углом 90 градусов.

На фиг. 3 изображен фрагмент ребра жесткости 1, имеющего в поперечном сечении Т-образный вид, выполненное за единый профиль, содержащий в себе горизонтальное основание 2 сопряженное посередине и вдоль с вертикальной полкой 3, образованной по толщине из одной нити армирования, пропитанной полимерным связующим.

На фиг. 4 изображен фрагмент ребра жесткости 1, имеющего в поперечном сечении Н-образный вид, выполненное за единый профиль, состоящий по краям из горизонтальных оснований 2, сопряженных посередине и вдоль с вертикальной полкой 3, образованной по толщине из одной нити армирования, пропитанной полимерным связующим.

На фиг. 5 изображен фрагмент панели каркаса из полимерных композиционных материалов со встроенной в структуру ребра жесткости 1 прослойку из пористого материала 4, соединенная с внутренней поверхностью 5 вертикальной полки 3, с внутренней поверхностью 6 горизонтального основания 2 и с внутренней поверхностью 7 гладкой обшивки 8.

На фиг. 6 изображен фрагмент панели каркаса из полимерных композиционных материалов со встроенным в структуру ребра жесткости 1 металлический фитинг 9, соединенный с внутренней поверхностью 5 вертикальной полки 3 и с внутренней поверхностью 6 горизонтального основания 2.

На фиг. 7 изображена панель каркаса из полимерных композиционных материалов, состоящая из ребер жесткости 1, расположенных относительно друг друга под углом 30 градусов.

Предложенное изобретение может быть реализовано на стандартном оборудовании с использованием метода автоматизированной «мокрой» намотки или выкладкой с помощью робота, например, KUKA KR16L8. В качестве высокомодульных нитей могут использоваться углеродные и/или арамидные и/или стеклянные нити, пропитанные эпоксидным связующим высокотемпературного отверждения. Выбор оптимальных параметров высоты вертикальной полок и ширины горизонтального основания ребер жесткости, углов ориентации, расстояния и шага ребер жесткости, определяется из условия прочности, устойчивости и надежности специальными расчетами с учетом действующих нагрузок, жесткостных, габаритных и технологических ограничений в зависимости от требований и условий эксплуатации, предъявляемых к конструкции панели каркаса из полимерных композиционных материалов. Соединение гладкой обшивки, прослойки из пористого материала, металлического фитинга может осуществляться как при помощи специальных клеев, так и за счет клеящих свойств полимерного связующего ребер жесткости, обшивки и прослойки. Количество, материал, расположение прослойки из пористого материала и металлических фитингов определяется областью применения панели каркаса из полимерных композиционных материалов.

Предлагаемая панель каркаса из полимерных композиционных материалов возможно использовать в качестве силового каркаса рефлектора антенны спутника, каркас солнечных батарей.

Изобретение относится к панелям из композиционных материалов. Панель каркаса из полимерных композиционных материалов включает в себя ребра жесткости (1), сформированные в виде единого профиля, состоящего по краям из горизонтальных оснований (2), сопряженных посередине и вдоль с вертикальной полкой (3), причем ребра жесткости (1) расположены относительно друг друга под углом 90 градусов и образованы тонкой нитью армирования, пропитанной полимерным связующим. Ребра жесткости (3) состоят из слоев однонаправленных высокопрочных и/или высокомодульных нитей, скрепленных полимерным связующим. В межреберных пространствах возможно размещение прослойки из пористого материала, металлических фитингов, соединенных с внутренними поверхностями вертикальной полки и горизонтального основания ребер жесткости и с гладкой обшивкой. Достигается снижение массы и увеличение жесткости. 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Панель каркаса из полимерных композиционных материалов, содержащая силовой реберно-ячеистый каркас, выполненный в виде системы перекрещивающихся ребер жесткости, состоящих из слоев однонаправленных высокопрочных и/или высокомодульных нитей, скрепленных полимерным связующим, отличающаяся тем, что ребра жесткости сформированы в виде единого профиля, состоящего из горизонтального основания, сопряженного по внутренней поверхности посередине и вдоль вертикальной полки, образованного тонкой нитью армирования, пропитанной полимерным связующим.

2. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что ребра жесткости расположены относительно друг друга под углом 90 градусов, сформированы в виде единого профиля, состоящего по краям из горизонтальных оснований, сопряженных по внутренней поверхности посередине и вдоль вертикальной полки, образованного тонкой нитью армирования, пропитанной полимерным связующим.

3. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что на горизонтальных основаниях ребер жесткости по наружной поверхности возможно присоединить гладкую обшивку.

4. Панель по п. 2, отличающаяся тем, что на горизонтальных основаниях ребер жесткости по наружной поверхности возможно присоединить гладкую обшивку.

5. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что между ребрами жесткости размещены прослойки из пористого материала, соединенные с внутренней поверхностью вертикальной полки, с внутренней поверхностью горизонтального основания и с гладкой обшивкой.

6. Панель по п. 2, отличающаяся тем, что между ребрами жесткости размещены прослойки из пористого материала, соединенные с внутренней поверхностью вертикальной полки, с внутренней поверхностью горизонтального основания и с гладкой обшивкой.

7. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что между ребрами жесткости размещены металлические фитинги, соединенные с внутренней поверхностью вертикальной полки и с внутренней поверхностью горизонтального основания.

8. Панель по п. 2, отличающаяся тем, что между ребрами жесткости размещены металлические фитинги, соединенные с внутренней поверхностью вертикальной полки и с внутренней поверхностью горизонтального основания.

9. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что ребра жесткости расположены относительно друг друга под любым углом.

10. Панель по п. 2, отличающаяся тем, что ребра жесткости расположены относительно друг друга под любым углом.

11. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что горизонтальные основания ребер жесткости сформированы из комбинации различных нитей армирования, при этом наружный слой должен быть диэлектриком.

12. Панель по п. 2, отличающаяся тем, что горизонтальные основания ребер жесткости сформированы из комбинации различных нитей армирования, при этом наружный слой должен быть диэлектриком.

13. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что на горизонтальных основаниях ребер жесткости по наружной поверхности установлены солнечные батареи.

14. Панель по п. 2, отличающаяся тем, что на горизонтальных основаниях ребер жесткости по наружной поверхности установлены солнечные батареи.