Сетчатая оболочка из композиционных материалов Российский патент 2025 года по МПК B32B1/08 B32B3/12 

Изобретение относится к области композитных конструкций и касается высоконагруженных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности, отсеков крыла и фюзеляжа с сетчатым несущим каркасом на основе однонаправленных ребер. Также может применяться в строительных конструкциях, инженерных сооружениях и т.д.

Известна сетчатая оболочка из композиционных материалов, образованная ребрами, содержащая внешнюю и внутреннюю обшивки и слой защитного наполнителя (Патент РФ № 2558494, МПК B64C 1/08, F16L 9/12, B32B 1/08, B32B 3/12, ФГУП «ЦАГИ», 27.06.2014). В оболочке такого типа защита силовых ребер осуществляется за счет первичного защитного слоя, вплотную прилегающего к поверхности ребра, защитного заполнителя между внешней и внутренней обшивками, а также самими обшивками. Такая конструкция оболочки позволяет обеспечить ее длительную прочность с учетом требований по ударной прочности и устойчивости к деградации свойств под действием климатических факторов, потому что силовые ребра ограждены от внешних воздействий другими элементами конструкции. Однако описанная конструкция оболочки имеет ряд недостатков, усложняющих ее применение в авиационной технике. Главный недостаток аналога - отсутствие возможности диагностики состояния ребер, из-за чего надежность эксплуатации оболочки в течение длительного периода обеспечивается за счет дополнительных запасов прочности, вводимых для обеспечения целостности конструкции во всем спектре расчетных нагрузок и воздействий. Такой подход к обеспечению длительного ресурса приводит к дополнительным весовым издержкам. Также существенным недостатком описанной выше конструкции является излишний вес системы защиты; первичный защитный слой покрывает ребро со всех сторон, в том числе и с боковых, которые, во-первых, значительно меньше подвержены ударным воздействиям, чем внешняя и внутренняя, а во-вторых, уже защищены толстым слоем защитного наполнителя.

Известна оболочка из композиционных материалов, наиболее близкая по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятая за прототип, образованная ребрами и содержащая внешнюю обшивку, часть ребер размещена внутри омега-образных профилей и соединена с профилями своими внутренней и боковыми поверхностями, глубина каждого профиля не менее высоты ребра, полки профилей соединены с внешней обшивкой, в местах установки профилей между внешней поверхностью ребер и внешней обшивкой имеется внешняя прослойка (Патент РФ № 2442690, МПК B32B 1/08, B32B 3/12, B64C 1/12, B64G 1/22, ЗАО «Центр перспективных разработок ОАО «ЦНИИСМ»», 19.11.2010), которая за счет того, что защитная прослойка размещена только между ребром и внешней обшивкой, имеет лучшие весовые характеристики, чем аналог. Однако конструкция прототипа не обеспечивает защиту от ударных воздействий с внутренней стороны. Следует отметить, что в прототипе не решена проблема контроля состояния конструкции, в результате чего при проектировании силового реберного каркаса, так же, как и при проектировании конструкции аналога, применяются дополнительные запасы по прочности, необходимые для обеспечения целостности конструкции во всем спектре расчетных нагрузок и воздействий, что не позволяет получить большой выигрыш по весу по сравнению с аналогом.

Описанные выше свойства прототипа усложняют его применение в технике, требовательной к весовой эффективности и ресурсу, например, к авиационной.

Техническим результатом является высокая весовая эффективность конструкции, при обеспечении контролепригодности и защиты от внешних воздействий.

Технический результат достигается за счет того, что в сетчатой оболочке из композиционных материалов, образованной ребрами и содержащей внешнюю обшивку, часть ребер размещена внутри омега-образных профилей и соединена с профилями своими внутренней и боковыми поверхностями, глубина каждого профиля не менее высоты ребра, полки профилей соединены с внешней обшивкой, в местах установки профилей между внешней поверхностью ребер и внешней обшивкой имеется внешняя прослойка, между внешней прослойкой и внешней поверхностью ребра размещена внешняя накладка с упорядоченной пористой структурой, а во внешней накладке размещены волоконные датчики системы мониторинга состояния ребер. Внешняя накладка может быть выполнена из материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм². Между внутренней поверхностью ребер и дном профилей может быть размещена внутренняя прослойка, выполненная из эластичного материала. Между внутренней прослойкой и внутренней поверхностью ребра может быть размещена внутренняя накладка с упорядоченной пористой структурой. Внутренняя накладка может быть выполнена из материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм². Во внутренней накладке могут быть размещены волоконные датчики системы мониторинга состояния ребер. Между боковыми поверхностями ребра и профилем могут быть размещены волоконные датчики системы мониторинга состояния ребер. Профили и внешняя обшивка могут быть соединены методом прошивки. С внутренней стороны оболочки может быть расположена герметичная внутренняя обшивка. Между внешней обшивкой и внутренней обшивкой может быть расположен слой наполнителя.

На фигуре 1 изображен разрез сетчатой оболочки в плоскости, перпендикулярной ребру.

На фигуре 2 изображен общий вид сетчатой оболочки.

В конструкции сетчатой оболочки из композиционных материалов можно выделить основные части:

1. Ребра;

2. Внешнюю обшивку;

3. Омега-образные профили;

4. Внешнюю прослойку;

5. Внешнюю накладку;

6. Волоконные датчики системы мониторинга;

7. Внутреннюю прослойку;

8. Внутреннюю накладку;

9. Внутреннюю обшивку;

10. Слой наполнителя.

Сетчатая оболочка образована ребрами 1 и имеет внешнюю обшивку 2 (фиг. 1, 2). Часть ребер 1 размещена в омега-образных профилях 3 и соединена с профилями своими внутренней 11 и боковыми 12 поверхностями. Глубина каждого профиля 3 не менее высоты ребра 1, полки профилей 3 соединены с внешней обшивкой 2. В местах установки профилей 3 между внешней поверхностью 13 ребра 1 и внешней обшивкой 2 имеется внешняя прослойка 4. Между внешней прослойкой 4 и внешней поверхностью 13 ребра 1 размещена внешняя накладка 5 с упорядоченной пористой структурой. Во внешней накладке 5 размещены волоконные датчики 6 системы мониторинга состояния ребер 1. Внешняя накладка 5 может быть выполнена из материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм². Между внутренней поверхностью 11 ребер 1 и дном профилей может быть размещена внутренняя прослойка 7, выполненная их эластичного материала. Между внутренней прослойкой 7 и внутренней поверхностью 11 ребра 1 может быть размещена внутренняя накладка 8 с упорядоченной пористой структурой. Внутренняя накладка 8 может быть выполнена из материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм². Во внутренней накладке 8 могут быть размещены волоконные датчики 6 системы мониторинга состояния ребер 1. Между боковыми поверхностями 12 ребра 1 и профилем 3 могут быть размещены волоконные датчики 6 системы мониторинга состояния ребер 1 (на фигурах условно не показаны). Профили 3 могут быть соединены с обшивкой 2 методом прошивки 14. С внутренней стороны оболочки может быть расположена герметичная внутренняя обшивка 9. Между внешней обшивкой 2 и внутренней обшивкой 9 может быть расположен слой наполнителя 10.

Устройство работает следующим образом. Основным несущим элементом конструкции сетчатой оболочки является каркас из однонаправленных ребер 1. Он воспринимает основные силовые потоки и является ответственным силовым элементом. Внешняя обшивка 2 образует внешние обводы оболочки и защищает другие элементы конструкции от внешних климатических, химических и др. воздействий, а также частично защищает каркас от ударных воздействий за счет поглощения части энергии удара и перераспределения оставшейся энергии на большую площадь. Омега-образные профили 3 соединяют ребра 1 и внешнюю обшивку 2. Прошивка 14 позволяет увеличить прочность соединения профилей и внешней обшивки на отрыв. Внешняя прослойка 4 защищает ребра 1 от ударных воздействий малых энергий (~15-20 % от максимальной расчетной для конструкции, доля от максимальной расчетной определяется из требований по ударной прочности и эксплуатационной технологичности) за счет увеличения времени передачи и распределении на больший участок ребра 1 энергии удара. При ударных воздействиях с большей энергией внешняя прослойка 4 разрушается, частично поглощая энергию удара. Внешняя накладка 5 также защищает ребра 1 от ударных воздействий. При ударах с малой энергией внешняя накладка 5 является опорой для внешней прослойки 4 и дополнительно увеличивает время передачи энергии удара. При ударах с максимальной расчетной энергией внешняя накладка 5, так же, как и внешняя прослойка 4, частично или полностью разрушается, поглощая энергию удара. Параметры обшивки 2, внешней прослойки 4 и внешней накладки 5 выбираются из расчета их упругого деформирования без разрушения при ударах малых энергий и сохранении целостности ребра 1 при ударах с максимальной расчетной энергией (уровень расчетной энергии определяется требованиями по ударной прочности и эксплуатационной технологичности). Упорядоченная пористость внешней накладки 5 позволяет реализовать изменение жесткости внешней накладки 5 по толщине от значений, сравнимых с жесткостью внешней прослойки 4, до значений жесткости сплошного материла внешней накладки 5, посредством изменения пористости. Такое изменение жесткости позволяет внешней накладке 5 упруго работать совместно с внешней прослойкой 4 при ударах малой энергии, и более эффективно, чем за счет разрушения более плотных слоев, защищать ребро 1 от ударов с большей энергией. Внутренние прослойка 7 и накладка 8 работают так же, как внешние прослойка 4 и накладка 5. Волоконные датчики 6 системы мониторинга состояния ребер измеряют локальные деформации вдоль оси ребра 1 в режиме реального времени. Размещение волоконных датчиков 6 систем мониторинга состояния ребер между боковыми 12 поверхностями ребра и профилем 3 позволяет более точно определять распределение деформаций по высоте ребра 1, а также отслеживать боковой изгиб ребра 1. Результаты этих измерений позволяют определить тип нагружения (растяжение, кручение, изгиб и их комбинации) и уровень нагруженности ребра 1, а также фиксировать факт ударного воздействия и локализовать с определенной точностью место удара, которое может быть подробно исследовано более точными, но менее оперативными методами (ультразвуковое исследование, ренгенография), таким образом решается проблема низкой контролепригодности прототипа, что позволяет снизить дополнительные коэффициенты безопасности при проектировании конструкции, связанные с необходимостью обеспечения целостности конструкции в течение всего срока эксплуатации. В результате чего улучшается весовая эффективность конструкции. Также положительный эффект на весовую эффективность конструкции оказывает выбор для внешней накладки 5 и внутренней накладки 8 материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм², так как такие значения модуля упругости позволяют ощутимо (~2-7 % от потока в ребре 1) включить внешнюю накладку 5 и внутреннюю накладку 8 в восприятие продольных силовых потоков, и снизить за счет этого вес ребра 1. Внутренняя герметичная обшивка 9 позволяет применять изобретение для конструкций, в которых необходимо обеспечение герметичности внутреннего пространства, например, для отсеков фюзеляжа пассажирского самолета, а также обеспечивает дополнительную защиту ребер 1 от ударных воздействий с внутренней стороны. Слой наполнителя 10 защищает ребра 1 от ударов с боковой стороны, а также служит тепло- и шумоизоляцией.

Основными преимуществами предлагаемой конструкции сетчатой оболочки из композиционных материалов являются:

- Высокая весовая эффективность, за счет снижения дополнительных коэффициентов безопасности и включения системы защиты в восприятие основных силовых потоков;

- Высокая надежность, за счет защиты ответственных силовых элементов;

- Хорошая контролепригодность, за счет использования встроенной системы мониторинга состояния.

Технический результат достигается за счет использования комплексной системы защиты с улучшенными характеристиками амортизации и поглощения ударных воздействий, а также за счет создания системы мониторинга состояния силовых элементов и включения элементов системы защиты в восприятие основных силовых потоков.

Изобретение относится к области композитных конструкций и касается высоконагруженных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности отсеков крыла и фюзеляжа с сетчатым несущим каркасом на основе однонаправленных ребер. Изобретение может применяться в строительных конструкциях, инженерных сооружениях. Сетчатая оболочка образована ребрами и имеет внешнюю обшивку. Часть ребер размещена в омега-образных профилях и соединена с профилями своими внутренней и боковыми поверхностями. Глубина каждого профиля не менее высоты ребра, полки профилей соединены с внешней обшивкой. В местах установки профилей между внешней поверхностью ребра и внешней обшивкой имеется внешняя прослойка. Между внешней прослойкой и внешней поверхностью ребра размещена внешняя накладка с упорядоченной пористой структурой, выполненная из материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм². Во внешней накладке размещены волоконные датчики системы мониторинга состояния ребер. Изобретение обеспечивает высокую весовую эффективность конструкции, контролепригодность и защиту от внешних воздействий. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сетчатая оболочка из композиционных материалов, образованная ребрами и содержащая внешнюю обшивку, часть ребер размещена внутри омега-образных профилей и соединена с профилями своими внутренней и боковыми поверхностями, глубина каждого профиля не менее высоты ребра, полки профилей соединены с внешней обшивкой, в местах установки профилей между внешней поверхностью ребер и внешней обшивкой имеется внешняя прослойка, отличающаяся тем, что между внешней прослойкой и внешней поверхностью ребра размещена внешняя накладка с упорядоченной пористой структурой, внешняя накладка выполнена из материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм², и во внешней накладке размещены волоконные датчики системы мониторинга состояния ребер.

2. Сетчатая оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что между внутренней поверхностью ребер и дном профилей размещена внутренняя прослойка, выполненная из эластичного материала.

3. Сетчатая оболочка по п. 2, отличающаяся тем, что между внутренней прослойкой и внутренней поверхностью ребра размещена внутренняя накладка с упорядоченной пористой структурой.

4. Сетчатая оболочка по п. 3, отличающаяся тем, что внутренняя накладка выполнена из материала с модулем упругости не менее 100 кг/мм².

5. Сетчатая оболочка по п. 4, отличающаяся тем, что во внутренней накладке размещены волоконные датчики системы мониторинга состояния ребер.

6. Сетчатая оболочка по п. 1-5, отличающаяся тем, что между боковыми поверхностями ребра и профилем размещены волоконные датчики системы мониторинга состояния ребер.

7. Сетчатая оболочка по п. 1-6, отличающаяся тем, что полки профилей соединены с внешней обшивкой методом прошивки.

8. Сетчатая оболочка по п. 1-7, отличающаяся тем, что с внутренней стороны оболочки расположена герметичная внутренняя обшивка.

9. Сетчатая оболочка по п. 8, отличающаяся тем, что между внешней обшивкой и внутренней обшивкой расположен слой наполнителя.