Трехслойная амортизационная оболочка Советский патент 1983 года по МПК E04B1/98 E04C2/24 

(54) ТРЕХСЛОЙНАЯ АМОРТИЗАЦИОННАЯ ОБОЛОЧКА

Изобретение относится к несущим .трехслойным панелям и оболочкам и может найти применение в строительстве, а также при создании элементов силовых конструкций летательных аппаратов и судов, обладающих высокой несущей и амортизирующей, способность на воздействие интенсивных многократ ных нагрузок. Известна энергопоглощающая па.нель включающая., несущие ребристые -плиты, -ребра одной из которых расположены в межреберных промежутках другой и соединены упругоподатливыми связями в виде пружин С1. К недостаткам такого рода панелей относятся низкие жесткость, прочност и устойчивость панели при использовании ее в качестве элементов силовой конструкции вследс.тви.е малого значения межслойного модуля сдвига обусловленного высокой податливостью пружин, малая энергопоглощающая способность панели вследствие невысоких энергопоглощающих характеристик пружинных амортизаторов, невозможность использования панели в ряде случаев для топливных и других коммуникаций вследствие изменения и в конце амортизации окончательного перекрытия пр ходных сечений, а также невоз южность транспортировки агрессивных компонентов топлива в панели с несущими слоями, выполненными из нестойкого к компонентам материала. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является трехслойная панель, которая включает несущие ребристые плиты, ребра одной из которых расположены в межреберных промежутках другой и соединены упругоподатливыми связями, последние выполнены в виде труб. Трубы при сближении внешних слоев приходят во вращательно-поступательное движение и вследствие плас- тического выворачивания своих противоположных кромок амортизируют внешнюю нагрузку 21. . Недостатками известного устройства являются низкая несущая способность панели вследствие мало поперечной устойчивости участков внешнего несущего слоя, между соседними ребрами и их малой прочности в местах жест- . кого защемления с ребрами ввиду плоской формы этих участков, имеющей высокие напряжения изгиба из своей .плоскости, низкая несущая способность панели, выполненной с криволинейным контуром вследствие того, что при значительном сближении наружного сло с внешним при деформировании панели происходит потеря общей устойчивости формы внешнего слоя случайным образом, что нарушает совместную работу слоев и приводит либо к разрушению панели, либо к существенному уменьшению ее прочности низкая устойчивость панели при действии осевых нагрузок вследствие низкой изгибной жесткости плоского наружного слоя оболочки, недостаточно высокие амортизационные и демпЛируютие свойства панели вследствие того, что амортизация осутде вляется только путем деформирования трубчатого заполнителя (наружный несущий слой в амортизации не участвует) , а также вследствие отсутствия прогрессивного увеличения усилия: сопротивления в процессе амортизации. При этом амортизируется только один уровень нагрузки вследствие постоянства выворачивающего момента труб, а также низкая несущая способность при действии локальных нагрузок, так как амортизация таких усилий связана со значительными местными деформациями наружного несущего слоя приводящим к его разрушению. Разрушение вызывается тем, что перераспределение нагрузки ПРОИСХОДИТ в малой окрестности приложения силы, И деформации слоя достигают разрушаю;пи величин под место локального приложения нагрузки. При этом отсутствует местная амортизация локальных усилий Целью изобретения является повышение несущей способности трехслойно амортизационной оболочки. Указанная цель достигается тем, что в трехслойной амортизационной оболочке, включающей несущие ребристые слои, ребра одного из которых расположены в межреберных промежутк другого и соединены упругоподатливыми связями в виде труб, соединенных с ребрами, наружный слой выполнен в виде гофрированной обшивки, а реб ра наружного слоя выполнены с голов ками с криволиней.ной образующей, со единенными с гофрами в вершинах последних, причем трубы выполнены со стенками переменного сечения, а обо лочка по ее торцам снабжена фланцами, соединенными с внутренним слоем внешний контур которых повторяет ко тур гофрированной обшивки. Внутренняя поверхность труб может быть очерчена по дугам с линейным увелич нием толщины трубы от одной дуги к другой. Высота ребер внутреннего сл меньше высоты ребер наружного слоя на величину стрелы подъема гофра. . Ребра вну/греннего слоя могут быть вы полнены в форме пустотелых коробчат профилей. Выполнение наружного слоя гофрир ванным и размещение вершин выступов и впадин гофров над ребрами слоев с соединением с.головками ребер наружного слоя исключает потерю несущей способности обоих несущих слоев, связанную с критическим изменением формы всего пакета слоев, обусловленным волнообразованием, вследствие того, что при нагружении происходит запроектированное развитие формы внешнего слоя с увеличением кривизны гофр при сближении несущих слоев. Головки ребер затормаживают движение вершин гофров и одновременно обеспечивают их гладкий изгиб по поверхности криволинейных головок ребер, обеспечивая регулярность радиальных смещений и деформаций наружного слоя.с дальнейшим развитием большого количества впадин гофров, что увеличивает энаргопоглощение обшивки и обеспечивает ей высокую несущую способность. При этом в наружном несущем слое исключаются разрушающие изгибные напряжения, связанные с образованием случайных ребер излома при волнообразовании. При действии внешнего давления в наружной обшивке, выполненной в форме гофров, снижаются действующие напряжения, так как искривленные пластины при действии внешнего давления имеют значительно меньитие напряжения изгиба, чем плоские. В.результате этого повышается несущая способность конструкции. Гофрирование наружной обшивки также повышает устойчивость оболочки, в осевом направлении. Повышение несущей способности происходит также вследствие того, что впадины гофров контактируют по линии в точке струбами заполнителя и, опираясь на них, частично разгружаются от внешней нагрузки, что достигается таким выбором размеров, чтобы высота ребер внутреннего слоя была меньше высоты ребер наружного слоя на величину стрелы подъема гофра. Этим задается и ход амортизации. Изготовление стенки труб переменного сечения позволяет расширить диапазон уровней амортизируемых нагрузок, а также обеспечить прогрессивное возрастание усилия сопротивления, что повышает несущую способность внутреннего, слоя и констукции в цеМасса конструкции за счет изготовления ребер пустотелыми, высвободившаяся в общей массе оболочки, отводится на упрочнение несущих слоев. Установка на торцах фланцев, соединенных с внутренним слоем и имеющих внешний контур, повторяющий форму наружного гофрированного слоя, позволяет повысить несущую способность оболочки при транспортировке и хранении, так как фланцы используются в качестве опор, на которые передается реакция усилий от веса оболочки. При этом амортизирующий гофри рованный слой не нагружается. Фланцы повышают несущую способность и при рабочем нагружении, являясь, с одной стороны,защитным экраном для торцов внутреннего пакета оболочки от внешних воздействий, ас другой стороны - одновременно подкрепляющим шпан гоутом для оболочки в целом. На фиг. 1 изображен возможный вариант предлаТаемой оболочки, общий вид; на фиг. 2 - внешний вид внутрен него несущего слоя; на фиг. 3 - аксонометрия наружного несущего слоя; на фиг. 4 - тонкостенный замкнутый профиль, устанавливаемый в пазы несу щих слоев, общий вид; на фиг. 5 фланец, общий вид; на фиг. б - сечение панели в исходном состоянии; на фиг. 7 - сечение панели в момент пол ного исчерпания рабочего хода амортизации при пластическом деформиро.вании; на фиг. 8 - ребро наружного слоя, общий вид. Оболочка состоит из несущих листов 1 и 2, соединенных с ребрами 3 и 4 соответственно. На ребрах выполнены продольные выступы 5 и 6. Ребра 3 обшивки 1 частично введены во впадины, образованные ребрами 4 несу щего слоя 2, между ребрами 3 и 4 рас положены тонкостенные пластические трубы 7 (замкнутые профили), изготов ленные из материала с высокой усталостной прочностью на выворачивание Трубы имеют удлиненный диаметр по линии нормальной к несущим слоям вдоль боковых граней ребер. Наружный слой 1 выполнен в форме тонкого высокопрочного листа, у которого все поперечное сечение гофрировано. Учас ки обшивки между соседними ребрами имеют вогнутости 8 внутрь пакета сло ев. Выпуклые наружу оболочки части 9 гофров слоя 1 опираются на головки 1 ребер 3 и соединены с ними. Верлины 9 гофр установлены над головками ребер 3 наружного слоя, а впадины 8 напротив ребер 4 внутреннего слоя 2 Гофры создают запроектированные несовершенства формы, приводящие к заданному закону потери устойчивости наружной обшивки при сближении ее с внутренним несущим слоем. Высота ребер 4 внутреннего слоя 2 меньше высо ты ребер 3 наружного слоя 1 на величину стрелы подъема выпуклости 9 гоф ра, чем обеспечивается заданный ход амортизации при сближении слоя 1 со слоем 2. При этом предусматривается вариант, когда впадины 8 гофров касаются труб 7, чем обеспечивается подкрепление наружного слоя 1. Ребра 3 наружного слоя 1 имеют гладкие криволинейные внешниеповерхности. Таким образом, поперечное сечение головки ребер 3 со стороны гофрированного листа 1 может быть, например, полукруглым. Криволинейные головки 10, соединенные своими вершинами с выступами гофров, воспринимают нагрузку от гофрированной обшивки 3 в виде нормальных контактов сжимающих на-. пряжений. Распределяя напряжения по криволинейному участку гофра, они обеспечивают гладкийизгиб гоф-ра в процессе всего деформирования гофрированной обшивки при сближении с внутренним слоем 2 и таким образом способствуют радиальному движению слоя 1 с плавным изменением кривизны гофров. Ребра 4 выполнены пустотелыми в Форме профилей коробчатого сечения. Трубы 7 имеют в сечении два участка 11 и 12 переменной толщины, переходящие один в другой, и имеют пазы 13 для соединения с выступами 5 и б ребер 3 и 4 соответственно. Контур поперечного сечения труб б в конкретных случаях выполнения может быть достаточно близким к круглому. Но наибольший ход амортизации (величина сближения несущих слоев) и .энергопоглощение достигаются при удлиненном контуре поперечного сечения с большей осью контура, совпадающей с высотой взаимного перекрытия ребер. При этом пластическое выворачивание трубы в двух противоположных узлах осуществляется на максимальном участке ее периметра. Ход листа 1 в радиальном направлении может на порядок и более превышать, собственную толщину этого листа. Предусмотрен вариант конструкции, когда впадины 8, являющиеся перемычками между ребрами 3 внешнего слоя, выполнены, с вогнутостями, направленными не внутрь пакета слоев,, а наружу. Фланцы 14, имеющие внешний контур 15, повторяющий форму гофрированного слоя 1, присоединены к внутреннему слою 2 при помощи буртиков 16. Трубы 7 заполнителя, обшивка 1 наружного слоя могут свободно смещаться в радиальном направлении относительно фланцев. Торцы труб 7 и обшивки 1 со стороны торцов защищены фланцами 14 от осевых воздействий нагрузок. Несущие слои, ребра, флангцл выполняются из высокопрочных материалов типа легированной стали, титана или композиционных материалов, трубы - из пластичных сплавов стали и гшюминия. Для изготовления предлагаемой оболочки известными способами, например, сваркой трубы из частей с последующей проточкой пазов, изготавли ваются трубы 7. Слой 2 изгибается до необходимой кривизны. С помощью оснастки на слое 2 фиксируются ребра 3 и соединяются со слоем 2 при помощи, например, пайки или , При помощи дополнительной оснастки

а ребрах устанавливаются и собираютя по пазам и выступам амортизирущие трубы 7 и ребра 3 верхней обшивки ри этом выступы ребер 3 и 4 совмеш.ают с пазами 13 пластических труб 7 и соединяют с ними при помощи пайки. Гофрированный лист 1 накладывают на полученную сборку таким образом, чтобы выступы гофров совпадали с криволинейными головками 10 ребер 3. Соединяют слой 1 с ребрами 3 под небольшим внешним избыточным давле- . нием, не превышающим нагрузки пластического деформирования, труб 7, например, при помощи пайки. На торцы оболочки устанавливают фланцы 14 и соединяют их по буртикам 16 с внутренним слоем 2 о

Если действующие на панель нагрузки малы, конструкция работает как упругая. При действии на панель значительного внешнего давления ребра 3 начнут вдвигаться в пазы, образованные ребрами 4 противоположной обшивки. Присоединенные к ребрам трубчатые элементы 7 начнут перемещать с ребрами часть труб,При этом происходит развитие вогнутостей гофриро- . ванного слоя 1. Гладкий изгиб относительно криволинейных головок 10 приводит к изменению кривизны срединной поверхности гофров слоя 1 в одной плоскости, в перпендикулярной к плоскости изгиба плоскости кривизна срединной поверхности остается практически равной нулю. Криволинейное ребро 3 осуществляет изменение кривизны срединной поверхности гофра без существенного изменения его линейных размеров. Таким образом,на протяжении всего сближения слоев внешний слой 1 сохраняет свою общую форму, изменяя только кривизну гофр и тем самым обеспечивая при больших деформациях внешнего слоя его постоянную регулярную форму с высокой внутренней энергией деформирования. Упругопластическое деформирование элементов труб и наружного несущего сЛоя поглощает определенную часть энергии ударных волн, -в результате чего вели-: чина и динамические характеристики внешнего воздействия трансформируются. Это позволяет в определенной степени управлять параметрами динамической нагрузки, воздействующей на внутренний слой, обеспечивая тем самым его деформирование в наперед заданных пределах. При достаточном ходе амортизации конструкция может вьщержать . несколько цикло в нагружения без разрушения при сохранении высокой стабильности нагрузки, передаваемой от внешнего- несущего слоя к внутреннему. После прекращения действия нагрузки конструкция в общем случае в первоначальное положение не вернется, а займет некоторое промежуточное положение, т.е. толщина пакета слоев несколько уменьшится. В полностью самортизированном состоянии ребра внешнего слоя войдут в контакт с внутренним слоем, а криволинейные гофрированные Участки .внешнего слоя получат опору на вершинах ребер 4 внутреннего слоя. Однако жесткость конструкции при изгибе частично или даже полностью компенсируется засчет возрастания модуля сдвига пакета слоев вследствие увеличения толщин ребер за счет материала стенок выворачивающихся труб. При локальном воздействии твердых тел удар воспринимается выступающими гофрами наружного слоя, под которыми находятся усиливающие оболочку ребра 3, не допускающие местного разрушения наружной обшивки. Действующаяна ребро локальная нагрузка распределяется вдоль всего ребра и далее амортизируется в процессе движения ребра к внутреннему слою 2 вследствие пластического выворачивания рёбер. После исчерпания своей амортизирующей способности панель может быть снова приведена в первоначальное положение подачей жидкости или газа под давлением во внутренние полости конструкции, для чего торцы могут дополнительно закрываться эластичными заглуками . При этом происходит обратное рабочему выворачивание пластических труб. Такое число циклов может быть достаточно большим. При определенных соотношениях между упругими и пластическими характеристиками материалов труб и гофрированного слоя, а также их толщин, когда обеспечивается превышение упругого момента изгиба гофров над выворачивающим моментом труб возможно многократное самостоятельно возвращение панели после снятия нагрузки в исходное рабочее состояние и, следовательно, возможно многократное применение панели без дополнительных мероприятий по приведению ее в рабочее состояние.

В процессе амортизации в резуль-, тате .закритического деформирования происходит регулярное изменение только наружного слоя. Внутренний же слой не испытывает закритических радиальных перемещений. Вследствие этого обеспечивается неизменность полезного внутреннего объема конструкции и сохранность полезного груза, размещенного в нем, а также высокая герметичность полости, заключенной во внутренний слой. В результате повышается работоспособност и несущая способность конструкции.

Использование предложенной оболочки позволит:

Повысить жесткость, пг очность и устойчивость оболочки при действии осевых усилий, направленных вдоль ребер, а также поперечного изгиба в этой плоскости вследствие большой осевой и сдвиговой прочности и жесткости гофрированной наружной обшивки. Увеличить энергопоглощение панели вследствие большой удельной энергопоглощающей способности, обусловленной тем, что амортизация усилий происходит не только вследствие выворачивания труб, но и вследствие значительного деформирования наружной обшивки, связанной со значительным уве личением кривизн гофров обшивки. Оболочка позволяет создать герметичную, прочную к динамическим нагрузкам ёмкость nocjfie крепления к фланцу днища или крьиики. Вследствие наличия гофрированного слоя лучше рассеивать высокочастотные вибрации. Использовать полости ребер для внутренних коммуникаций. Оболочка допускает приложение сосредоточенных йагрузок как статических, так и динамических. Оболочка может быть использована для амортизацииСерии быстро следующих один за другим, импульсов нагруз ки возрастающей амплитуды, меньших предельно допустимых по величине. Формула изобретения 1. Трехслойная амортизационная оболочка, включающая несущие ребрис-тые слои, ребра одного из которых расположены в межреберных промвжут,.j как другого и соединены упругоподатливьгми связями в виде труб, со- единенных с ребрами, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения несущей способности, наружный слой выполнен в виде гофрированной обшивки, а ребра наружного слоя выполнены с головками с криволинейной образующей, соединенными с гофрами в вершинах последних, причем трубы выполнены со стенками переменного сечения, а оболочка по ее торцам снабжена фланцами, соединенными с внутренним слоем, внешний контур которых повторяет контур гофрированной обшивки. 2.Оболочка по п. 1, отлич а-, ю щ а я с. я тем, что внутренняя поверхность труб очерчена по дугам с линейным увеличением толщины трубы от одной дуги к другой. 3.Оболочка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что высота ребер внутреннего слоя меньше высоты ребер наружного слоя на величину стрелы подъема гофра. 4.Оболочка по пп. 1-3, отличающаяся тем, что ребра внутреннего слоя выполнены в фор1ме пустотелых коробчатых профилей. Источники информации, принятые во внима:ние при экспертизе l. Патент Дании 85645, 37в 2/02, 1958. 2. Авторское свидетельство СССР, кл. Е 04 В 1/98, 1979 (прототип).

IS

fpuz.S

ю

f/

Фиг. 7