Защитная оболочка из композиционных материалов

Защитная оболочка из композиционных материалов

Реферат

 

Использование: строительство и защита трубопроводов, контейнеров, фюзеляжей и др. оболочковых конструкций. Сущность изобретения: в защитной оболочке из композиционных материалов наружная и внутренняя обечайки скреплены с армированным арочной системой промежуточным слоем пенопласта. Арочная система выполнена из перекрещивающихся лент-жгутов арамидных высокомодульных волокон, а часть слоев внутренней обечайки - из тканых лент из углеродных волокон и лент-жгутов из арамидных волокон послойно сдублированных с упруго-эластичными слоями. Остальные слои оболочек выполнены из стеклоорганоткани, нити основы которой - арамидные волокна, расположенные в направлении витков спиралей оболочек. 7 ил.

Изобретение относится к строительству трубопроводов, машиностроению и может быть использовано в производстве контейнеров, фюзеляжей и других конструкций оболочечного типа, в частности в защитных оболочках из композиционных материалов.

Известна стеклопластиковая оболочка, состоящая из наружной и внутренней обечаек и среднего слоя, выполненного из прессованных стрингеров, заполненных пеноматериалом и уложенных плотно друг к другу вдоль оси трубы-оболочки [1] Известна оболочка, состоящая из наружной и внутренней обечаек из композиционного материала и промежуточного слоя с перекрещивающимися составными ребрами, образующими ячейки, заполненные пенопластом [2] Известные оболочки малоэффективны при воздействии локальных ударных нагрузок. Из-за слабого сопротивления клеевых швов распадается стрингерная система среднего слоя и оболочка [1] разрушается, в оболочке [2] выдавливается и отслаивается стенка внутренней обечайки. Увеличение их толщин приводит, как следствие, к увеличению массы труб-оболочек, а это приводит к увеличению затрат.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту является оболочка, состоящая из наружной и внутренней обечаек из композиционного материала с промежуточным слоем пенопласта между ними, армированным арочной системой в виде симметрично пересекающихся разнонаправленных высокомодульных волокон, скрепленных кольцевыми шпангоутами [3] Данная оболочка выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа), обладает аналогичными недостатками.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание защитной оболочки такой конструкции, которая эффективно противостояла бы воздействию летящих камней, обладала бы повышенной надежностью от проникновения их через стенку оболочки, при воздействии баллистической энергии камней гасила бы ее в локальной зоне без нарушения целостности стенки. Кроме того, оболочка, подвергшаяся воздействию летящих камней, дополнительно должна обладать повышенной надежностью от излучений, особенно в местах ударов летящими камнями.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение стойкости, выражающейся в повышении надежности защитной оболочки в динамическом воздействии летящих камней и излучений, уменьшение массы оболочки.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата в защитной оболочке из композиционных материалов, содержащей наружную и внутреннюю обечайки, скрепленные с армированной арочной системой перекрещивающихся высокомодульных волокон промежуточным слоем пенопласта между ними и концевые шпангоуты, ее наружная и внутренняя обечайки выполнены в виде концентрических сплошных слоев ленточных винтовых спиралей с углами наклона их витков 86^oC88^oC, причем часть слоев ленточных и винтовых спиралей внутренней обечайки со стороны внутренней поверхности выполнена из тканных лент из углеродных волокон и лент жгутов из арамидных волокон, послойно сдублированных с упруго-эластичными слоями типа резины, арочная система промежуточного слоя пенопласта и слоя ленточных винтовых спиралей наружной обечайки со стороны промежуточного слоя пенопласта, соответственно, выполнены из лент, жгутов арамидных волокон, а остальные слои ленточных винтовых спиралей внутренней и наружной обечаек выполнены из стеклоорганоткани с содержание в качестве нитей основы арамидных волокон, расположенных в направлении витков спиралей.

Новыми и отличительными признаками защитной оболочки являются: выполнение ее наружной обечайки в виде концентрических сплошных слоев ленточных винтовых спиралей; с углами наклона их витков 86^oC88^o; выполнение ее внутренней обечайки в виде концентрических сплошных слоев ленточных винтовых спиралей; с углами наклона их витков 86^oC88^o; выполнение части слоев ленточных и винтовых спиралей внутренней обечайки со стороны внутренней поверхности из тканных лент из углеродных волокон; сдублированных с упруго-эластичным слоем типа резины; выполнение арочной системы промежуточного слоя пенопласта из лент жгутов арамидных волокон; выполнение слоя ленточных винтовых спиралей наружной обечайки со стороны промежуточного слоя пенопласта из лент жгутов арамидных волокон: выполнение остальных слоев ленточных винтовых спиралей внутренней обечайки из стеклоорганоткани; с содержанием в качестве нитей основы арамидных волокон; расположенных в направлении витков спиралей.

Защитная оболочка должна обладать определенной податливостью, демпфировать без разрушения, обладать повышенной возможностью. Этим требованиям не отвечает сравнительно дешевый стеклопластик, обладающий достаточной жесткостью, но низкой ударопрочностью. Органопластик является высокопрочным, обладает повышенной ударопрочностью, но дорогостоящим материалом. Использование стеклоорганопластика во внешних слоях обечаек обеспечивает достижение жесткости и ударопрочности благодаря наличию стеклянных волокон и наличию органических (арамидных) волокон.

Углепластик для внешнего слоя, подвергающегося сильному ударному воздействию непригоден из-за хрупкости, несмотря на стойкость к излучениям.

Наличие в структуре армирующего материала тканной ленты обеспечивает более высокую жесткость и ударопрочность без разрушения, поэтому тканый материал размещен во внешних слоях обечаек.

Жгуты в нетканых лентах и арочной системе взаимодействуют друг с другом при соответствующем подборе связующего, обладающего высоким относительным удлинением, и дополнительно увеличивает жесткость и прочность конструкций защитной оболочки.

Указанные отличительные признаки являются существенными и новыми, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на достижение нового эффекта в соответствии с поставленной целью, их использование в известных решениях неизвестно.

На фиг. 1 представлена защитная оболочка с продольным разрезом, на фиг. 2 поперечный разрез по А-А, на фиг. 3 выноска I фиг. 1 вид слоистой структуры стенки защитной оболочки в увеличенном масштабе, на фиг. 4 сечение по Б-Б с изображением арочной системы промежуточного слоя, на фиг. 5 выноска II вид слоистой структуры наружной обечайки, на фиг. 6 выноска III вид слоистой структуры внутренней обечайки, на фиг. 7 вид В с изображением расположения тканой ленты в обечайки оболочки.

Защитная оболочка из композиционных материалов состоит из наружной и внутренней обечаек 1 и 2 (фиг. 1, 2), промежуточного слоя 3 из пенопласта, армированного арочной системой 4 перекрещивающихся лент высокомодульных волокон, и концевых шпангоутов 5.

Наружная обечайка 1 выполнена двухслойной из концентрических сплошных слоев 6 и 7 (фиг. 3, 5). Ее внешний слой 6 выполнен из стеклоорганопластика, а внутренний 7 из органопластика.

Внутренняя обечайка 2 выполнена многослойной также из концентрических сплошных слоев 8-12 (фиг. 6). Слой 8 выполнен из углепластика, сдублированного со слоем 11 из упруго-эластичного материала, и слой 12, расположенный со стороны слоя 3, выполнен из стеклоорганопластика.

Сплошные слои 6 и 7 наружной обечайки 1 и слои 8, 10 и 12 внутренней обечайки выполнены намоткой по винтовым спиралям с углом наклона их витков 86-88^o. Указанные слои отличаются структурой материала.

Слои 6 и 12 выполнены из лент тканого материала: стеклоорганоткани Т-42-78, пропитанный связующим ЭХД-VI, с расположением нитей ее основы, выполненных из органических (арамидных) волокон, в направлении витков спиралей (нити утка в стеклоорганоткани выполнены из стеклянных волокон).

Слой 8 из углепластика выполнен из лент углеткани, содержащей угольные волокна по основе и утку (материал УКМТ-1 марки Н).

Слои 7 и 10 выполнены из лент нетканого материала, образованы непрерывными жгутами (пучками волокон), набранными из органических (арамидных) волокон, соединенных в ленту с помощью связующего.

Арочная система 4 промежуточного слоя 3 выполнена из материала на основе жгута ЖСВМ 58,8(300)х17-1000-3, непрерывной термообработки (ТОСН), пропитанного связующим ЭДТ-10.

Слои 8 и 10 внутренней оболочки 2 послойно сдублированы с упругоэластичными слоями, например, из резины 51-2110, изготовленной по ТУ 38-1051177-82.

Защитная оболочка изготавливается на извлекаемой оправке путем послойного нанесения на нее слоев указанных лент. Сначала на оправку выкладывают слой 9 сырой резины, заматывают его ткаными лентами из углеродных волокон, пропитанными связующим, с образованием слоя 8. Затем выкладывают еще слой сырой резины 9, 11 и их заматывают нетканой лентой из жгутов арамидных волокон, пропитанной связующим, с укладкой ее по винтовым спиралям, с образованием слоя 10. После этого наматывают слой 12 из лент стеклоорганоткани, пропитанных связующим, укладывая их также, как и ленты в предыдущих слоях. На полученную заготовку внутренней обечайки 2 наносят слой пенопласта, выполняют в нем перекрещивающиеся спиральные и кольцевые пазы, в которые укладывают ленты из жгутов арамидных волокон с образованием арочной системы 4. Затем на сформированную таким образом заготовку с промежуточным слоем 3 наматывают слои внешней обечайки 1: сначала слой 7, подобный слою 10 внутренней обечайки 2, а затем слой 6, аналогичный слою 12 той же обечайки. Сформированную заготовку защитной оболочки вместе с оправкой помещают в печь для термообработки, при которой одновременно происходит полимеризация связующего во всех слоях и вулканизация резины. По окончании термообработки оправку извлекают.

Благодаря проведению совместной термообработки всех слоев по единому режиму отверждения исключаются расслоения в слоях обечаек, между обечайками и промежуточным слоем. Таким образом, защитная оболочка из композиционных материалов получена за счет изменения структуры ее слоев, введение новых материалов с повышенными свойствами комбинации слоев и обеспечение их совместности работы: 1. арочная система перекрещивающихся лент в слое пенопластового заполнителя и часть слоев внутренней и наружной обечаек выполнены из жгутов арамидных волокон; 2. остальные слои внутренней и наружной обечаек выполнены из стеклоорганоткани, у которой арамидные волокна размещены вдоль основы, т. е. в окружном направлении обечаек, а стеклянные по утку, т. е. в аксиальном направлении обечаек.

Наличие уточных нитей, размещенных вдоль оси оболочки, обеспечивает совместность работы окружных арамидных волокон.

В таком исполнении оболочка обладает наивысшей стойкостью к пробитию летящими камнями, т. е. повышенной надежностью. Кинетическая энергия летящего камня поглощается всеми слоями оболочки, камень теряет пробивную силу и застревает в ее наружных слоях.

Дублированные резиной слои тканой ленты и чередующиеся с ними слои ленты жгутов арамидных нитей, размещенные во внутренней обечайке, не повреждаются, что позволяет сохранить их для обеспечения повышенной надежности от воздействия излучения.

Натуральные образцы защитных оболочек из композиционных материалов, изготовленные с использованием нового технического решения, при испытаниях показали положительные результаты, высокую эффективность и надежность их использования.

Формула изобретения

Защитная оболочка из композиционных материалов, содержащая наружную и внутреннюю обечайки, скрепленные с армированной арочной системой перекрывающихся высокомодульных волокон промежуточным слоем пенопласта между ними, и концевые шпангоуты, отличающаяся тем, что ее наружная и внутренняя обечайки выполнены в виде концентрических сплошных слоев из ленточных винтовых спиралей с углами наклона их витков 86 88^o, причем часть слоев внутренней обечайки со стороны внутренней поверхности выполнена из тканых лент из углеродных волокон и лент жгутов из арамидных волокон, послойно сдублированных с упругоэластичными слоями типа резины, арочная система промежуточного слоя пенопласта и слой наружной обечайки со стороны промежуточного слоя пенопласта соответственно выполнены из лент жгутов арамидных волокон, а остальные слои внутренней и наружной обечаек выполнены из стеклоорганоткани с содержанием в качестве нитей основы арамидных волкон, расположенных в направлении витков спиралей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7