Многослойная панель Советский патент 1986 года по МПК E04C2/36 F16F7/12 B64C3/26 

Изобретение относится к конструкциям многослойных панелей, имеющих несущие слои, заполнитель, собранный из профилей и включаюишй армирующие элементы, присоединенные к определенным частям панели, может найти применение для создания силовых оболочек сооружений, судов, корпусов летательных аппаратов, обладаюншх высокой несучцей и амортизирующей способностью на воздействие интенсивных многократны.х нагрузок, и является усовер1пенствованием известного устройства по основному авт. св. .NO 925005.

На фиг. 1 изображена конструкция, общий вид; на фиг. 2 и 3 -- аксонометрия структуры армирующих элементов; на фиг. 4 -- панель, ноперечный разрез; па фиг. 5 - то же, вид сверху; на фиг. 6 - пример нагружения и предварительно -о напряжения панели.

Панель состоит из несущих верхнего BoriiyToro 1 и нижнего выпуклого 2 слоев, соединенных с зано.гнителем, включающем армирующие элементы, выпо.1пенные из непрерывной металлической проволоки, множество раз изогнутой в поперечных плоскостях. Армирующие элементы имеют раскосы 3 и 4, соединенные друг с другом перемычками 5 и с несущими слоями 1 и 2. Перемычки установлены в трубы 6, имеющие разрезы 7, и соединены с несущ,ими слоями 1, 2 панели (два вида рядов армирук)П1их элементов показаны на фиг. 3). Армирующие элементы, соответственно чередуясь, соединяются по соприкасающимся раскосам 4, образуя таким образом из продольных проволочных рядов пространственную структуру ячеистого типа.

Перемычки 5 изготовлены относительно малой длины и больщого диаметра, что обеспечивает значительный скручивающий .момент и вместе с этим сравнительно малые срезающие усилия в местах соединения труб с несущими слоями 1 и 2. Перемычки 5 предварительно деформированы деформациями кручения в направлепии обратном направлению деформапии амортизации. Меняя величину угла предварите;1ьпого пластического закручивания по определенному закону между парами раскосов в их последовательности в одной плоскости, можно создать в обшивках предварительное напряжение по оптимальному закону, учитывающему распределение внещней нагрузки, причем такой закон может учитывать изменение знака напряжения предварительного нагружения, поскольку слой может нагружаться с обеих сторон (фиг. 6).

. Поперек армируюидих рядов, вдоль осей перемычек 5, на несуп;ем слое выпо.чиены ребра 8. Ребра на слое имеют нирину, соизмеримую с толщиной шарниров, так как предназначены для улучшения восприятия .Шкальных усилий. Ребра 8 в выпуклом слое устапавливаются в направлении поперечном к плоскости цилиндрического изгиба при амортизации. Вследствие этого эти ребра не повьинают жесткости панели в плоскости изгиба, для амортизации которого предназначена панель, а повыщают жесткость и прочность панели к прогибу в плоскости, поперечной к плоскости изгиба при амортизации, вследствие чего повышается несущая способность панели и ее работоспособность, так как обеспечивается

правильный цилиндрический изгиб и выпучивание конструк 1ии без искривления образующей. С противоположной стороны ребер 8 (на внутрен1шх сторонах несущих слоев 1 и 2) выполнены пазы 9 в форме

полуцилиндров, в которые установлены соосные ряды отрезков труб с перемычками 5. Вогнутый слой 1 выполнен с ребрами 10 поне)ечно направлениям перемычек 5. Перпендикулярно плоскости цилиндрического изгиба установлен) силовые элементы 1 1

0 для крепления liaHeju-.

Сборка предлагаемой конструкции осуществляется следуюш.им образом.

Известными методами изготавливаются

, несун ;ие слои 1 и 2. Из непрерывной металлической проволоки (из материала с эффектом памяти формы) на изгибочных автоматах изготавливаются ряды армирующих элементов, из которых затем набирают нрост|)анстзенпую структу)у и соединяют на сва0 рочных автоматизированных станках с соответствующими раскосами 3 и 4. Чтобы придать перемычкам требуемую фор.му «памяти, т. е. конфигурацию, х которой они должны стремиться возвращаться в процессе нагрева, их г одверга от местному отжигу в зане5 поденном (т. е. жестко зафиксированном в оправке) состоянии, при температуре выше температуры конца обратного мартенситного 1реврап.ения (для никелпда титар а 450-БОО С) с последующим охлал дением в течение I --2 ч на воз.аухе или в воде. При этом в запеволенном состоянии расстояния между перемычками превы1пают расстояния между местами их на несущие слои. т. е. занолпитель растя)1ут в направлении, перпендикулярном к перемычкам.

2 Раскосы выполняются жесткими па сжатие 1 осредством местной закалки, а также соединения их с трубами. Перемычки устанавливаются в труб;э1 6 либо одновременно с процессом гибки перемычек, либо при помощи разрезов 7 после гибки рядов.

0 Перед соединением заполнителя с несущими слоями его охлаждают до те.мператур, не 1ревыи ающих начала прямого мартенситного преобразования и пластически деформируют, сжимая ряды в плоскости панели. При этом пере.мычки получают пластичес5 кие деформации кручения. При необходимости задания различных величин крутящих моментов и, следовательно, усилий сдвига производят последовательное скручивание

каждого ряда перемычек 5, прикладывая усилия к паре раскосов 3 и 4, соединенных перемычкой 5. Каждый стержень-перемычка может предварительно деформироваться кручением на станках-автоматах до калиброванного заданного значения пластической деформацией кручения и маркируется. Таким образом, обеспечивается предварительное напряжение Рприамр, пропорциональное уровню внешнего давления Рвиешн (фиг. 6). С целью получения высокостабильных характеристик напряжений возврата перемычки могут подвергаться «тренировке. Вследствие этого обеспечивается высокая точность задания величины деформации. Собранную таким образом структуру заполнителя устанавливают на один из несущих слоев, накладывают второй слой и соединяют в пакет при помощи пайки или склеивания. Стержни перемычек заполнителя, деформированные кручением на различную величину, укладывают между слоями в соответстВИИ с заданным законом предварительного нагружения. Установка раскосов может осуществляться последовательно на несущий слой 2 и проводиться автоматически. Раскосы, установленные между участками верхней и нижней общивок, создают силовой контур и обеспечивают пространственную устойчивость заполнителя, что облегчает процесс сборки конструкции. Разрезы труб соединяются с несущими слоями.

Если интервал обратного мартенситного превращения перемычек 5 близок к температуре процессов соединения пакета слоев, то осуществляется постоянная продувка полости охлаждающим телом, поддерживающим необходимую температуру материала перемычек. Нагревают заполнитель до температур выще интервала температур обратного мартенситного преобразования. Усиливанием скручивания производят напряжение несущих слоев. Для создания значительных усилий стержни имеют незначительную длину и достаточно больщой диаметр. При таком предварительном напряжении .происходит внутренний распор несущих слоев. При этом происходит напряжение несущих слоев, приводящее к появлению распределенного по заданному закону поля загибающих моментов в сечении конструкции, так как напряжение скручивания перемычек вызовет появление боковых сил, приложенных к сечениям несущих слоев. При этом может осуществляться предварительный выгиб конструкции навстречу действующей внещней нагрузки. Если необходимо нагрузить только один слой, то присоединение второй общивки осуществляется только после преднапряжения первой.

Предварительное напряжение не влияет на прочность, но существенно повышает жесткость и критические нагрузки конструкции.

Конструкция изготавливается из металлов, поэтому в ней отсутствуют потери предварительных напряжений, так ползучесть конструкционных металлов, напри.мер стали, незначительна и быстро затухает во времени.

При относительно небольшом уровне поперечных нагрузок конструкция работает как упругая. При этом поперечные усили-я с одного слоя на другой передаются за счет жесткости перемычек на упругое скручивание. При больших поперечных нагрузках угол между раскосами значительно меняется и они поворачиваются относительно перемычек, жесткие раскосы снижают величину относительного сближения несущих слоев. В этой стадии работы передача усилий с одной обшивки на дру-гую происходит через пластически скручиваемые перемычки, зафиксированные шарнирами от смещения в плоскости слоев. В результате этого обеспечивается амортизация конструкции за счет рассеивания энергии на пластически скручиваемых перемычках и снижается энергия ударных и динамических нагрузок на внутреннюю обшивку, а импульс действия растягивается во времени. При обеспечении достаточной жесткости и величины упругой деформации обшивок конструкция возвращается в исходное положение и может быть использована для динамического нагружения многократно. При этом каждый раз проис.чодит полное восст 1новление несущей способности. Так как раскосы соединены друг с другом и основании.чи с несущими слоями посредством поперечных перемычек, при нагрузках, вызывающих сближение слоев, происходит уменыле1 ие угла между раскосами в результате скручивания перемычек. Ввиду того, что пластическое скручивание имеет стабильные характеристики, высокую энергое.мкость, значительный ход амортизации, а раскосы установлены по всей внутренней полости паие.ми. то даже при больших нагрузках со.храняется высокая однородность пфочностных, жесткостных и амортизационных характеристик заполнителя, что обеспечивает высокую несущую способность заполнителя при интенсивных (в том числе и динамических) liaгрузках.

Величина предварительного напряжения несущих слоев определяется степенью относительной пластической деформации перемычек из материала, обладающего эффектом памяти формы, напряжениями усилий возврата конкретного типа материала. Регулируя величины усилий возврата, можно задавать предварительные напряжения по определенным кривым, повторяющим очертания произвольных заданных эпюр изгибающих момептов. Например, для панели, «работающей на равномерную нагрузку, виды оптимальных эпюр изгибающих моментов имеют форму квадратной параболы.

Несущие слои 1, 2 и трубы могут быть изготоь лены из металлических (стальных, титановых) сплавов или композиционных материалов, перемычки и раскосы - из материала с памятью формы, например нитииола.

При действии на панель значительных внешних нагрузок конструкция имеет повышенное значение критических нагрузок вследствие возникновения, при сборке и сохранения в процессе эксплуатации упругого предварительного напряжения моментного состояния, распределенного по определенному закону, противоположного по знаку действующим внешним нагрузкам.

Напряжение осушествляется по участкам, вследствие этого предлагаемая панело обладает качеством пагружения одного из слоев напряжениями любого знака, что увеличивает возможность оптимизации создаваемых при помопш предлагаемой панели различных силовых оболочечных конструкций.

Отличительным ценным свойством конструкции является то, что предварительное нагружение каждого из слоев может осуществляться независимо один от другого, т. е. при создании преднапряжения усилие в несущем слое создается замкнутым силовым контуром, состоящим из 1еремычки, двух раскосов и напрягаемого участка оболочки.

Преимуществом локально предварительно нагружаемых конструкций является то, что при значительных прогибах в какойлибо ограниченной зоне конструкции не происходит снятия предварительного напряжения во всей оставшейся конструкции и тем самым уровень несущей способности ее снижается незначительно и может быть по-прежнему достаточно высоким.

Предлагаемое техническое решение позволяет создать оптимальные многослойные амортизационные конструкции с предварительным напряжением, распределенщ 1м по заданному закону по поверхности конструкции. Это имеет существенное значение для конструкций со сложной переменной кривизной, а также в случае приложения неравномерных нагрузок. Такая конструкция позволяет производить предварительное напряжение несущих слоев локально с малым шагом по всей поверхности. При этом могут создаваться усилия предварительного напряжения по .любому заданному закону. Таким образом, достижение эффекта осуществляется искусственным созданием усилий по оптимальному закону, которые противодеиствуют усилиям со стороны внешней нагрузки. Конструкция обеспечивает приложение предварительных усилий по поверхности нужной величины и знака, фиксацию их в сечениях или элементах. Причем с увеличением степени предварительного напряжения увеличивается область упругой работы конструкции, так как при воздействии эксплуатационных нагрузок в несущих слоях погасятся сначала предварительные напряжения.

Применение предлагаемого устройства повышает несущую способность и улучшает амортизационные свойства панели при многократных динамических воздействиях неравномерно распределенных нагрузок, кро.ме того, ввиду достаточно частой установки напрягающих элементов начальные неровности листа практически не влияют на степень предварительного нагружения; высокая демпфирующая способность конструкции в сочетании с высокой по сравнению с полимерными заполнителями прочностью и жесткостью заполните.ля обусловлена использованием в качестве составного элемента несущего слоя нитиноловых сплавов; возможно

использование для теоретического расчета в обнлем случае неоднородного предварительного напряженного состояния библиотек расчета прикладных задач, н.апример расчета стержневых конструкций, для которого является эффективны.м использование .метода копечных элементов; отпадает необходимость в захватах для передачи усилия предварительного нагружения, что снижает массу конструкции и повышает ее надежность; панель обладает оптимальными характеристиками с точки зрения амортизационных и жесткостных свойств.

Формула изобретения

Многослойная панель по авт. св.

.NO 925005, отличающаяся тем, что, с целью повышения несущей crK)co6iiocTH и улучшения эксплуатационных качеств, перемычки выполнены из материала с эффекто.м памяти формы и предварительно пластически

деформированы деформациями кручения, а песуп1ие слои выполнены с пазами, в которых установлены шарниры, соединяющие перемычки с несущими слоями, причем последние выполнены с ребрами, расположенными под пазами и ориентированными вдоль перемычек над выгнутым слоем и поперек перемычек под В01-нут1..м.

Изобретение относится к конструкциям многослойных панелей и может найти применение для создания силовых оболочек сооружений, судов, корпусов летательных аппаратов и является усовершенствованием основного изобретения по авт. св. № 925005. Целью изобретения является повышение несуш,ей способности панели и улучшение ее амортизационных качеств. Многослойная панель состоит из выпуклого 1 и вогнутого 2 несущих слоев и скрепленного с ними заполнителя, включаюшего ряды армируюш,их элементов, выполненных в виде раскосов 3, 4, расположенных под углом к несуш,им слоям. Раскосы соединены перемычкой с несущими слоями при помощи шарниров, выполненных в форме отрезков труб. Перемычки выполнены из материала, обладающего эффектом памяти формы, пластически деформированы деформациямикручения в направлении обратном направлению деформации кручения перемычек при прохлопывании панели. Отрезки труб, надетые на перемычки, установлены в пазах несущих слоев панели. Несущие слои выполнены с ребрами 8, расположенными над пазами и ориентированными вдоль перемычек S над выпуклым слоем 1 и поперек перемычек под вогнутым слоем 2. 6 ил. (Л

/// //

Фиг. 5 Ьнетн.